大鼠海馬結(jié)構(gòu)下托錐體神經(jīng)元膜共振特性的研究.pdf

1、頻率選擇性是神經(jīng)元具有的內(nèi)在特性之一。共振是用來描述神經(jīng)元對輸入信號的頻率選擇性的能力。神經(jīng)元的共振特性和頻率選擇性具有重要作用，是腦內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)律性活動的重要基礎(chǔ)，在神經(jīng)元之間的信息傳遞中也具有重要作用。下托是海馬結(jié)構(gòu)的主要輸出結(jié)構(gòu)。它有助于海馬結(jié)構(gòu)的信息處理過程，對海馬theta節(jié)律(θ，4-10Hz)的輸出具有重要作用，涉及到諸如學(xué)習(xí)和記憶等海馬生理功能。此外，臨床和基礎(chǔ)研究顯示，下托的病理性改變參與了Alzheimer病、癲癇等多種

2、疾病的發(fā)生和發(fā)展。本課題分成三個部分，在大鼠水平腦片上使用紅外可視全細(xì)胞膜片鉗記錄下托錐體神經(jīng)元的電活動，對其膜共振的性質(zhì)和離子機(jī)制，以及在動作電位序列和突觸傳遞中的作用進(jìn)行探討。 一、下托錐體神經(jīng)元的膜共振特性及其離子機(jī)制 Theta(θ)振蕩(4-10Hz)是許多腦區(qū)的一個重要的生物節(jié)律，尤其是在海馬結(jié)構(gòu)中具有重要作用。目前，作為θ振蕩內(nèi)在機(jī)制之一的θ共振已經(jīng)在海馬CA1錐體神經(jīng)元、始層水平中間神經(jīng)元以及中部內(nèi)嗅

3、皮質(zhì)Ⅱ?qū)有切渭?xì)胞等不同類型神經(jīng)元中檢測到。盡管下托在海馬結(jié)構(gòu)中具有重要的生理學(xué)意義和功能，關(guān)于下托神經(jīng)元是否存在膜共振特性，其產(chǎn)生的離子機(jī)制為何，尚未見報道。因此，本課題的第一步就是給予下托錐體神經(jīng)元以隨時間增加頻率連續(xù)變化的正弦電流(ZAP，0-15Hz，20s)刺激，計算神經(jīng)元的膜共振頻率，同時對神經(jīng)元的膜共振特性以及其產(chǎn)生的離子機(jī)制進(jìn)行分析與討論。 主要結(jié)果如下： 1.根據(jù)去極化電流刺激引起放電模式的不同將記錄

4、到的下托錐體神經(jīng)元分為規(guī)則放電神經(jīng)元和陣發(fā)式放電神經(jīng)元。實驗發(fā)現(xiàn)，所有我們用電生理方法鑒定為錐體細(xì)胞的下托神經(jīng)元在-75mV到-80mV之間對ZAP刺激均表現(xiàn)出共振反應(yīng)，共振頻率為2.0±0.1Hz(n=23)。下托這兩類神經(jīng)元的形態(tài)特征和共振頻率未見明顯差別。 2.下托錐體神經(jīng)元的膜共振頻率具有溫度依賴性，即膜共振頻率隨溫度的升高而升高，在32-35℃為4-6Hz，處在θ頻率范圍內(nèi)。 3.下托錐體神經(jīng)元的膜共振特性

5、具有電壓依賴性，表現(xiàn)為隨著膜電位的超極化膜共振頻率增加。 4.超極化激活的非選擇性陽離子流(Hyperpolarization-activatedcationcurrent，Ih)是下托錐體神經(jīng)元產(chǎn)生θ頻率膜共振的主動電流成分。內(nèi)向整流鉀電流(Inwardlyrectifyingpotassiumcurrent，IIR)可以在超極化膜電位水平削弱膜共振幅值并使共振頻率增加。持續(xù)鈉流(Persistentsodiumcurren

6、ts，INaP)可以在去極化膜電位水平放大膜共振幅值。 二、突觸后下托錐體神經(jīng)元的膜共振特性與放電序列的關(guān)系 腦內(nèi)神經(jīng)元之間通過一系列的動作電位串來傳遞信息。突觸后神經(jīng)元是僅僅作為突觸傳入的被動接收者，還是可能通過自身的內(nèi)在電生理特性來有選擇性接收信息的傳入，這對于研究神經(jīng)元信息傳遞具有重要作用。實驗和理論研究表明神經(jīng)元膜共振特性能在特定頻率范圍內(nèi)調(diào)諧信息傳入，這為腦內(nèi)頻率依賴的信息傳遞提供一個關(guān)鍵的機(jī)制。實驗表明，

7、下托可能是癲癇發(fā)作間期中一個關(guān)鍵的起搏位點。與CA1相比，下托錐體神經(jīng)元特有的陣發(fā)式放電被認(rèn)為可以放大傳入的信號從而易化信息處理過程。這為提供弱生理信息在海馬與其它腦結(jié)構(gòu)之間的傳遞提供了生理基礎(chǔ)，同時也促進(jìn)了癲癇活動的產(chǎn)生和傳播。 下托錐體神經(jīng)元的膜共振特性作為神經(jīng)元的內(nèi)在特性，在神經(jīng)元編碼中具有何種作用，它對神經(jīng)元放電序列有何種影響?本課題的第二部分通過給予記錄的神經(jīng)元濾波的高斯白噪聲，觀察神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位峰峰間期(int

8、erspikeinterval，ISI)的變異系數(shù)，對此做一個初步的探討。 主要結(jié)果如下： 1.實驗中觀察到下托錐體神經(jīng)元在去極化到-60mV左右時，產(chǎn)生了自發(fā)放電。在自發(fā)放電的間隔中出現(xiàn)低頻的閾下膜電位振蕩。經(jīng)功率譜計算發(fā)現(xiàn)其頻率與該神經(jīng)元的共振頻率一致。 2.實驗通過給予神經(jīng)元一定強(qiáng)度的ZAP電流或者不同頻率的正弦等幅電流均可以引起神經(jīng)元在其共振頻率處產(chǎn)生放電，而其它頻率電流刺激僅僅引起閾下電壓反應(yīng)。在

9、給予3mMCsCl后，這種效應(yīng)被消除。3、分別給予神經(jīng)元以濾波2Hz、濾波50Hz和不濾波的高斯白噪聲刺激，比較神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的時刻在十次刺激中的重復(fù)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濾波2Hz的噪聲刺激引起神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位出現(xiàn)時刻的重復(fù)性最好，ISI的變異系數(shù)最小。給予未經(jīng)濾波的白噪聲刺激引起神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的時刻在十次出現(xiàn)的重復(fù)性則最差。 三、下托錐體神經(jīng)元的Ih電流以及膜共振特性與其突觸傳遞的關(guān)系 目前關(guān)于Ih在神經(jīng)元膜興

10、奮性和節(jié)律活動中重要作用的研究已在中樞神經(jīng)元系統(tǒng)各個腦區(qū)得到證實。但關(guān)于其在突觸傳遞中的作用還有待進(jìn)一步研究。阻斷Ih可以降低突觸后籃狀細(xì)胞抑制性突觸后電位的頻率，但這種作用可能與阻斷劑降低了籃狀細(xì)胞自發(fā)放電的頻率有關(guān)。在海馬，Ih能否引起苔蘚纖維向CA3錐體神經(jīng)元的長時程增強(qiáng)，仍有爭議。這些研究表明Ih在突觸前后神經(jīng)元中對突觸傳遞具有不同的調(diào)節(jié)作用。這其中是否涉及到Ih介導(dǎo)的膜共振機(jī)制，值得研究。此外，目前關(guān)于Ih對突觸傳遞的作用主要

11、集中在長時程增強(qiáng)上，關(guān)于其對短時程可塑性的作用未見報道。本課題的第三部分在CA1海馬槽刺激，記錄下托錐體神經(jīng)元的興奮性突觸后電流，探詢Ih及其介導(dǎo)的神經(jīng)元膜共振對下托興奮性突觸傳遞短時程可塑性的影響。 主要結(jié)果如下： 1.在確認(rèn)所記錄到的神經(jīng)元為下托錐體神經(jīng)元上記錄到潛伏期穩(wěn)定的由非NMDA受體所介導(dǎo)的EPSCs。 2.在2Hz和4Hz的突觸前刺激下，所記錄到CA1到下托錐體神經(jīng)元突觸的興奮性突觸后電流的幅

12、度隨刺激脈沖增加而增加，表現(xiàn)為短時程的增強(qiáng)作用。而在10Hz和20Hz的高頻突觸刺激下，神經(jīng)元則表現(xiàn)為先易化，隨后易化作用減弱。 3.我們在ACSF中加入3mMCsCl，觀察2Hz和4Hz刺激情況下Ih被抑制后興奮性突觸后電流有何改變。加入3mMCsCl后，兩種頻率刺激下抑制Ih后所記錄到的興奮性突觸后電流的幅值明顯增加，電流的衰減時間也明顯延長，但突觸短時程增強(qiáng)趨勢未見明顯改變。 4.在加入3mMCsCl10min

13、后，所記錄到的突觸后錐體神經(jīng)元出現(xiàn)了自發(fā)節(jié)律性興奮性突觸后電流，間歇期大于10s。從時程上看，與我們實驗中記錄到誘發(fā)興奮性突觸后電流是一致的。而5μM的CNQX可以消除這種節(jié)律性興奮性突觸后電流。 主要結(jié)論 1.使用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)在海馬水平腦片上記錄到下托錐體神經(jīng)元電生理活動，同時用LuciferYellow證實其形態(tài)為錐體神經(jīng)元。 2.證實下托錐體神經(jīng)元存在θ頻率的膜共振。而且其膜共振具有溫度依賴性和電

14、壓依賴性，表現(xiàn)為膜共振頻率隨溫度的升高而增加，隨膜電位超極化的增加而增加，隨膜電位的去極化而減弱。 3.證實了下托錐體神經(jīng)元膜共振的主要離子機(jī)制為Ih。而IIR可以在超極化方向削弱共振峰、增加共振頻率；INaP則可以在去極化水平放大膜共振峰，但對共振頻率沒有影響。 4.觀察到下托錐體神經(jīng)元具有閾下膜電位振蕩，其頻率與神經(jīng)元的膜共振頻率一致。 5.對于接近其膜共振頻率的外界刺激，下托錐體神經(jīng)元產(chǎn)生閾上反應(yīng)需要

15、的刺激強(qiáng)度較小，產(chǎn)生的動作電位序列也可以對輸入刺激較好地響應(yīng)。而在其它頻率范圍外界刺激要讓神經(jīng)元接受其信息則需要更高的強(qiáng)度，動作電位序列對輸入刺激響應(yīng)較差。 6.CA1到下托錐體神經(jīng)元的短時程突觸可塑性對突觸前刺激具有一定的頻率依賴性。在高頻刺激時表現(xiàn)為首先是突觸的易化，其后出現(xiàn)易化作用減弱，但仍然大于基礎(chǔ)值。而在低頻刺激時則表現(xiàn)為增強(qiáng)作用。 7.3mMCs+未對低頻刺激引起的突觸短時程增強(qiáng)趨勢產(chǎn)生影響，但明顯增加了

16、EPSCs的幅值和衰減時間，此外我們還觀察到3mMCs+引起EPSCs出現(xiàn)自發(fā)節(jié)律性活動，其機(jī)制有待進(jìn)一步探討。 研究表明下托錐體神經(jīng)元的θ頻率膜共振可能參與海馬θ振蕩的形成，調(diào)制海馬生理功能的改變，為進(jìn)一步研究下托在海馬結(jié)構(gòu)中的生理功能提供了基礎(chǔ)。此外，下托錐體神經(jīng)元的膜共振特性還影響到神經(jīng)元放電序列，該結(jié)果為研究神經(jīng)元之間信息傳遞的特征提供了實驗數(shù)據(jù)，也為理解下托在海馬結(jié)構(gòu)內(nèi)的信息傳遞和處理中所處的作用提供了有力的證據(jù)。而