猫初级视皮层神经元方位选择性强度与抑制的关系

论文摘要

大部分的初级视皮层神经元会对刺激图形的某方面属性具有选择性,例如刺激的朝向（方位）以及刺激图形的空间频率等等。发现初级视皮层神经元具有方位选择性被认为是视觉神经科学的关键发现之一。在初级视皮层神经元方位选择性的形成过程中,兴奋性输入和抑制性输入所发挥的作用以及二者之间的关系作为一个模型可以帮助我们了解皮层神经回路对信息进行处理的机制。但是,关于皮层抑制系统在方位选择性形成过程中所发挥的作用现在仍在争论中,抑制强度与方位选择性强度间的关系还不清楚。为了研究抑制强度与方位选择性强度间的关系,我们通过在麻醉猫初级视皮层17区神经元周围用微电泳方法施加抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）及GABAA受体选择性拮抗剂荷包牡丹碱（Bicuculline）,观察药物施加对神经元方位选择性强度及自发放幅度的影响。我们根据神经元方位选择性强弱将神经元划分为强方位选择性神经元、中等方位选择性神经元和弱方位选择性神经元。我们同时观测了施加药物对这三类神经元（强、中、弱方位选择性）方位偏爱指数（Orientation bias）、方位调谐曲线半高半波宽及方位特异性指数（orientation-specificity index）的影响。我们的研究发现微电泳施加GABA和Bicuculline可以双向调节神经元的方位选择性强度;微电泳施加GABA对弱方位选择性神经元方位选择性强度提升效果最强,对中等方位选择性神经元效果次之,对强方位选择性神经元则基本没有提升效果;微电泳施加Bicuculline则与之完全相反,施加Bicuculline可以使强方位选择性神经元和中等方位选择性神经元的方位选择性强度明显下降,而对弱方位选择性神经元则基本没有效果;这种施加GABA和Bicuculline对方位选择性强度的影响是方位调谐曲线波宽和垂直最优方位比（orthogonal/optimal responses）共同变化的结果。同时,我们的研究还发现神经元的自发放幅度大小与其方位选择性强弱有一定的相关性,神经元方位选择性越强其自发放幅度越小。上述结果预示着初级视皮层中弱方位选择性神经元可能没有接收到足够的抑制性输入,而强方位选择性神经元则接收了强的抑制性输入。前人的研究发现长期吗啡暴露会导致初级视皮层神经元方位选择性下降及自发反应幅度升高,普遍猜测认为神经元反应特性的这种改变是皮层内抑制系统损伤的结果。如果这个猜测是正确的,那么根据我们上面的实验结果,可以推测出以下假设:在长期吗啡暴露动物初级视皮层神经元周围微电泳施加GABA应该会显著提高其方位选择性强度并使其自发反应幅度明显下降。为了验证上述假设,我们研究了微电泳施加GABA和Bicuculline对长期吗啡暴露猫和对照猫初级视皮层神经元方位选择性及自发反应幅度的影响。研究发现Bicuculline对长期吗啡暴露猫的作用显著小于对对照猫的作用,这说明长期吗啡暴露对抑制系统产生了明显的影响。另一方面,施加GABA可以显著提高长期吗啡暴露猫初级视皮层神经元的方位选择性,长期吗啡暴露猫初级视皮层神经元表现出了与对照猫神经元相近的反应特性,这说明长期吗啡暴露对初级视皮层抑制系统的损伤要大于对兴奋性系统的损伤。通过实验研究加深了我们对抑制强度与方位选择性强度之间关系的理解:神经元方位选择性的强弱与其接收的皮层抑制性输入的强度相关,方位选择性弱的神经元接收的皮层抑制输入相对较弱,而强方位选择性神经元接收的皮层抑制输入较强。研究证明通过微电泳施加GABA的方式可以使接收抑制输入较弱的神经元方位选择性上升,这对恢复由长期吗啡暴露导致的初级视皮层功能的下降可能很有帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论Ⅰ 抑制与初级视皮层神经元方位选择性
• 1.1 摘要
• 1.2 引言
• 1.3 神经元方位选择性简介
• 1.3.1 方位选择性
• 1.3.2 方位选择性强度的表征方式
• 1.4 方位选择性的形成
• 1.4.1 兴奋性前馈模型（H&W Feed-forward model）
• 1.4.2 支持兴奋性前馈模型的证据
• 1.4.3 兴奋性前馈模型的缺点
• 1.5 抑制系统在细胞方位选择性的形成中发挥了重要作用
• 1.5.1 皮层内抑制系统
• 1.5.2 消除皮层细胞接收的抑制性输入可以使其方位选择性变差
• 1.5.3 方位选择性稍有偏差的皮层神经元间存在抑制性连接
• 1.5.4 反方位（cross-orientation）抑制和同方位（iso-orientation）抑制
• 1.5.5 抑制性突触后电位锐化细胞方位选择性曲线
• 1.5.6 抑制的来源
• 1.6 部分神经元方位选择性的形成可能不依赖于皮层内抑制系统
• 1.7 方位选择性信息的处理是逐步进行的
• 1.7.1 外膝体中继神经元与初级视皮层神经元间的突触连接
• 1.7.2 初级视皮层输入层（Ⅳ和Ⅵ层）对方位信息的处理
• 1.7.3 皮层内方位信息的处理
• 1.8 抑制与初级视皮层神经元方位选择性的关系可能非常复杂
• 第二章 绪论Ⅱ 阿片类药物长期暴露与抑制系统损伤
• 2.1 摘要
• 2.2 阿片受体简介
• 2.3 中枢神经系统阿片受体的分布
• 2.4 GABA能系统与吗啡的依赖与成瘾
• 2.5 长期吗啡暴露对神经传递的影响
• 2.6 视觉系统中的阿片受体
• 2.7 长期吗啡暴露对视觉系统的损伤
• 第三章 实验一 猫初级视皮层方位选择性强度与抑制的关系
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 实验动物准备及细胞外单细胞记录
• 3.2.2 视觉刺激
• 3.2.3 微电泳GABA及Bicuculline
• 3.2.4 神经元方位选择性强度的度量
• 3.3 结果
• 3.3.1 GABA和Bicuculline对方位偏爱指数OB的影响
• 3.3.2 GABA和Bicuculline对神经元反应调制的影响
• 3.3.3 GABA和Bicuculline对方位调谐曲线宽度及方位特异性指数的影响
• 3.3.4 方位选择性强度与细胞自发放（spontaneous）的关系
• 3.4 讨论
• 3.4.1 抑制强度与方位选择性强度
• 3.4.2 GABA介导的增益控制信号与神经元方位选择性的增强
• 3.4.3 抑制的来源
• 第四章 实验二 GABA可以提高长期吗啡暴露猫初级视皮层神经元方位选择性
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验动物吗啡暴露
• 4.2.2 细胞外单细胞记录
• 4.2.3 视觉刺激
• 4.2.4 微电泳GABA及Bicuculline
• 4.2.5 数据采集和分析
• 4.3 结果
• 4.4 讨论
• 第五章 结论
• 5.1.总结
• 5.2.讨论
• 5.3.研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果