水平细胞生理特性及神经系统时间信息处理

论文摘要

钙离子是细胞内功能最广泛的第二信使之一,在为数众多的细胞内信号通路中发挥关键作用。研究发现,鲫鱼视网膜H1型水平细胞表达对钙离子具有高通透性的NMDA受体。为揭示NMDA受体活动性对H1型水平细胞的细胞内钙离子动态过程的作用,本论文的第一部分工作结合细胞内钙成像实验和计算模型,对NMDA受体触发的H1型水平细胞的胞内钙离子动态过程进行了研究。细胞内钙成像实验显示H1细胞的胞内钙离子平均浓度在NMDA受体激活后快速升高并缓慢下降至稳态值,呈现明显的尖峰反应;进一步的实验和模型结果提示细胞内钙库的活动性对NMDA触发的H1细胞钙信号的尖峰反应具有关键作用。钙离子对神经元之间的化学突触传递具有重要作用。视网膜H1细胞从功能上对应于亮度型水平细胞(LHC)。本论文的第二部分工作对视网膜外网状层LHC与光感受器细胞之间的化学突触传递进行了研究。我们实验室在鲫鱼视网膜铺片的细胞内记录结果发现:LHC的对光反应幅度在重复性红光刺激条件下逐渐增强,细胞的绿光反应幅度同时受到削弱;另一方面,LHC对重复性绿色闪光的反应幅度没有显著变化,细胞的红光反应强度在重复性绿光刺激后同样受到削弱。这一现象提示了LHC与光感受器之间的化学突触在重复性闪光刺激条件下呈现形式多样的可塑性。本论文通过构建离子通道模型研究了以上现象的生理机制。结果提示:(1)突触后细胞内钙离子相关的对AMPA受体的调控过程对LHC的对光反应自增强具有关键作用;(2)LHC对重复性红光和绿光刺激的不对称反应以及不同颜色光之间的互压抑可能与突触前代谢型谷氨酸受体介导的对谷氨酸释放的调控过程相关。除化学突触,电突触是神经系统中另一种广泛存在的突触传递形式。在本论文的第三部分,我们通过构建神经网络模型研究了电突触与化学突触协同工作对神经系统处理毫秒尺度时间信息的可能作用。研究表明,自然刺激的时间信息在神经系统的前级环节被编码在神经元动作电位串的时序模式中;而在皮层等高级脑区则存在对特定时间信息选择性反应的神经元集合。本论文的结果提示,在电突触与化学突触协同工作的神经网络中,不同长度的时间信息可以被有效地转化为神经元集合不同的时空放电模式,从而实现神经系统利用神经元群体活动性实现对毫秒尺度时间信息的选择性编码。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号说明
• 1 引言
• 1.1 视网膜神经回路
• 1.2 水平细胞
• 1.3 NMDA受体
• 1.4 水平细胞钙离子信号
• 1.5 视网膜外网状层突触可塑性
• 1.6 电突触
• 1.7 神经系统时间信息处理
• 2 材料与方法
• 2.1 单细胞钙成像
• 2.1.1 细胞分离
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 灌流系统
• 2.1.4 荧光染料
• 2.1.5 实验流程
• 2.1.6 试剂与溶液
• 2.2 细胞内钙信号模型
• 2.2.1 模型结构
• 2.2.2 数学描述
• 2.3 水平细胞离子通道模型
• 2.3.1 离子通道模型基本结构
• 2.3.2 AMPA受体活动性的描述
• 2.3.3 谷氨酸释放过程的数学描述
• 2.4 神经网络模型
• 2.4.1 模型结构
• 2.4.2 神经元和突触数学描述
• 3 结果
• 3.1 NMDA触发的H1细胞钙离子浓度动态变化
• 3.1.1 钙成像实验结果
• 3.1.2 模型分析
• 2+]_i尖峰反应的作用'>3.1.3 细胞内钙库对[Ca²⁺]_i尖峰反应的作用
• 3.2 LHC与光感受器之间突触可塑性的模型研究
• 3.2.1 基本LHC离子通道模型的对光反应
• 3.2.2 AMPA受体的活动性对LHC膜电位反应的作用
• 3.2.3 突触前谷氨酸递质的释放过程及其对LHC膜电位反应的作用
• 3.2.4 模型结果的分析
• 3.3 神经系统时间信息处理网络模型
• 3.3.1 输入神经元对刺激时程的表达
• 3.3.2 小型神经网络神经元集合对刺激时程的表达
• 3.3.3 神经元群体活动性与电突触组合的相关性
• 3.3.4 大型神经网络的模拟结果
• 4 讨论
• 4.1 水平细胞钙离子信号的分布与功能
• 4.2 水平细胞与光感受器细胞之间的突触可塑性
• 4.3 神经系统时间信息处理
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文