老年猫视皮层细胞对刺激反应的对比敏感度下降伴随皮层内抑制作用减弱(英文)

对人类和动物的心理学研究证实,老年个体的视觉对比敏感度相对青年个体显著下降。为揭示其可能的神经机制,采用在体细胞外单细胞记录技术研究青、老年猫(Felis catus)初级视皮层(primary visual cortex,V1)细胞对不同视觉刺激对比度的调谐反应。结果显示,老年猫V1细胞对视觉刺激反应的平均对比敏感度比青年猫显著下降,这与灵长类报道的研究结果相一致,表明衰老影响视皮层细胞对视觉刺激反应的对比敏感度是灵长类和非灵长类哺乳动物中普遍存在的现象,并可能是介导老年性视觉对比敏感度下降的神经基础。另外,与青年猫相比,老年猫初级视皮层细胞对视觉刺激的反应性显著增强,信噪比下降,感受野显著增大,表明衰老导致的初级视皮层细胞对视觉刺激反应的对比敏感度下降伴随着皮层内抑制性作用减弱。     

猫视皮层17,18区神经元对错觉轮廓的反应

研究了轻度麻醉下猫视皮层17, 18区细胞对错觉轮廓刺激的反应特性, 比较了对错觉轮廓有明显反应的细胞对真实轮廓和错觉轮廓刺激的感受野特性的异同. 共记录了猫视皮层17, 18区200个方位/方向选择性细胞, 其中有42%的细胞是错觉轮廓反应细胞. 将这些细胞对真实轮廓和错觉轮廓的反应进行比较, 尽管错觉轮廓反应细胞对移动光棒和错觉轮廓光棒的方位/方向调制曲线十分相似, 但对移动错觉棒和移动光棒的反应模式(潜伏期和反应时程)不同. 对由光栅组成的错觉轮廓而言, 细胞的反应大小与组成光栅的相位无关, 并且细胞对组成错觉轮廓光栅的最优空间频率比对普通移动光栅的最优空间频率要高得多, 说明细胞确实是对轮廓本身反应, 而不是对组成轮廓的光栅的末端反应. 某些速度调制类型的细胞对移动错觉棒反应的最优速度比对移动光棒的最优速度要低得多. 进一步验证了猫视皮层17, 18区部分细胞能对错觉轮廓反应, 并且观察到这些细胞对错觉轮廓和真实轮廓有不同的感受野反应特性, 提示视觉系统对两种刺激图形的检测机制可能存在着差异.     

特定方位的光栅识别学习不改变猫外膝体背核神经元的方位敏感性

视觉信号识别训练可改变视觉通路神经元的可塑性, 其神经机制尚不清楚。已有少数研究显示, 动物(猴) 长时间进行特定方位的光栅识别学习后, 视皮层部分神经元对视觉刺激的反应表现出与学习任务相关的敏感性变化。这种敏感性变化是否亦存在于皮层下结构尚无报道。本实验训练两只成年猫分别进行水平和垂直方位的条形静止正弦光栅的识别以获得食物奖赏, 两只猫的行为识别能力逐渐提高, 4 个多月后识别的正确率达85%以上, 用与训练方位垂直的正弦光栅检测发现, 识别正确率明显下降。细胞外记录外膝体背核(Dorsal lat eral geniculate nucleus, dLGN) 神经元对不同方位正弦光栅刺激的反应显示, 与正常猫相比, 训练猫外膝体细胞的最优方位并未向着训练方位发生明显改变, 对于感受野位于中央区15度视角以内的细胞来说, 其方位选择性强度以及在训练方位的发放强度与正常猫无明显差异。以上结果表明, 猫对特定方位的光栅识别学习不改变外膝体神经元的方位敏感性, 其行为上方位识别特异性的提高可能与视皮层细胞的方位编码可塑性有关。     

猫外膝体神经元非寻常的方位调谐特性──Ⅱ．在去视皮层猫和视觉剥夺猫（Dark－reared cats）的研究

以移动的正弦光栅作为刺激,用玻璃微电极记录以冰冻法毁损皮层１７、１８、１９区和外侧上雪氏回（ＬＳ）区后的猫外膝体的单细胞反应,测定了了５７９个细胞的方位调谐特性．另外还在视觉剥夺猫外膝体测定了３４４个细胞的方位调谐特性．与正常猫相似,去视皮层猫和视觉剥夺猫外膝体的少数细胞（约占１０％）具有非寻常的方位调谐特性,包括具蝴蝶形调谐曲线的方位调谐特性、双调谐（Ｂｉｍｏｄａｌ）的方位调谐特性和最优方位随刺激空间频率的不同而变化的方位调谐特性。结果表明,外膝体的非寻常的方位调谐特性并非主要由皮层下行投射所致,而是主要与先天遗传因素有关。     

猫外膝体神经元非寻常的方位调谐特性──Ⅱ．在去视皮层猫和视觉剥夺猫（Dark－reared cats）的研究

以移动的正弦光栅作为刺激,用玻璃微电极记录以冰冻法毁损皮层１７、１８、１９区和外侧上雪氏回区后的猫外膝体的单细胞反应,测定了５７９个细胞的方位调谐特性,另外还在视觉剥夺猫外膝体测定了３４４个细胞的方位调谐特性,与正常猫相似,去视以猫和视觉剥夺猫外膝体的少数细胞具有非寻常的方位调谐特性,包括具蝴蝶形调谐曲线的方位调谐特性、双调谐的方位调谐特性和最优方位随刺激空间的不同而变化的方位调谐特性。结果表明外     

猫上丘视觉神经元的取向和方向选择性

基于对上丘细胞对运动光棒刺激反应特性的定量分析,首次明确提出猫上丘视觉神经元具有一定的取向选择性,并从形态基础和生理功能的角度讨论了这种选择性存在的意义。另外还发现上丘的方向和取向选择性均弱于初级视皮层,且对向视野上、下方运动的光棒较为敏感。     

猫视皮层细胞对运动光棒刺激的反应特性的定量分析

数据分析方法的不完善影响了关于细胞视觉反应特性研究结果的可靠性.本工作在分离视觉反应中方向和取向选择性因素的基础上.采用“积分平均”的手段.且将取向选择性理解为“强度随取向的变化率”,得到一种较为准确全面地表现细胞有关反应特性的定量分析法,可以体现出一些以往各方法无法反映出的差别,我们用此方法分析了猫视皮层细胞对运动光棒刺激的反应特性及其相关性.发现取向选择性因素对总反应的贡献较方向选择性大;反应强度,方向选择性和取向选择性三者间存在着弱相关.最优方向、最优取向及方向选择性最强的方向三者间有一定的偏离.     

猫前内侧上雪氏区视神经元对运动随机线条的反应

对于运动信息在脑内的加工,一种观点认为分两阶段进行,低级视皮层只对运动图形内部成分的取向进行调谐,高级视皮层整合低级视皮层的输入,对图形整体的运动方向敏感。用网格（plaid）作为刺激的实验表明,在较低级皮层区,细胞多表现为成分方向选择性（Component-motion Selectivity),即对刺激中的取向因素敏感：而较高视皮层的细胞多表现为整体方向选择性（Pattern-motion Selecitivity),对运动整体的方向敏感,从而支持运动信息加工的“两阶段”理论。实验中,用一系列运动随机线条刺激（random line patterns)。研究猫前内侧上雪氏区（Anteriormedial lateral suprasylvian area,AMLS)神经元的方向调谐特性。结果表明多数细胞为整体方向选择性,且随线长增加此类细胞比例下降,而成分方向选择性细胞的比例有所增加,呈现由整体方向选择性向中间类型（Unclassified),由中间类型向成分方向选择性变化的趋势,提示整体或成分方向选择性可能并非细胞的固有特性,而是可以随刺激取向因素的变化而改变的。     

视皮层反馈对猫外膝体神经元方位调制特性的影响

以扫描正弦光栅作为刺激,用冰冻法毁损皮层17、18、19区和外侧上雪氏回(LS区)来阻断皮层对外膝体的反馈投射,记录并描绘了猫外膝体597个细胞的方位调制特性.去视皮层猫外膝体神经元的平均方位选择性强度(Bias)为0.154,与正常猫(0.155)几乎相同,其最优方位偏向于水平方位.与正常猫外膝体不同的是,去视皮层猫外膝体失去了最优方位的切向分布规律,用GABA或KCl压抑皮层活动得到了相近的实验结果.结果说明正常外膝体的最优方位切向分布规律来自皮层反馈投射.     

纹外皮层PMLS区反馈投射对初级视皮层神经元反应特性的影响

神经系统中存在大量下行投射,与上行输入一起形成复杂的前馈与反馈回路,调控神经信号的传导和处理,但目前对皮层内反馈投射的功能作用认识还比较薄弱.通过微量注射抑制性神经递质γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),使猫纹外皮层后内侧外上雪氏区(area posteromedial lateral suprasylvian,PMLS)局部可逆性失活,使用胞外记录方法,研究初级视皮层17区神经元反应特性的变化.实验结果显示,PMLS区失活后,17区细胞对运动刺激的反应总体减弱,反应的相对稳定性基本不变,最高发放率/自发之比有所下降.与此同时,细胞的方向选择性指数减小,朝向选择性无显著变化.除少数"双向"反应细胞外,绝大部分细胞的最优方向基本不变.进一步分析发现,细胞对各个方向刺激的反应普遍下降,最优方向上的下降程度最大,是导致方向选择性减弱的主要原因.这些结果表明,PMLS区反馈投射可增强初级视皮层的方向选择性,而对朝向选择性影响有限.这一作用特点体现了PMLS区在皮层中偏重处理运动视觉信息的功能.     

猫初级视皮层内GIu/GABA表达比率的衰老性变化

最近的一些研究结果显示,视皮层内抑制性递质系统作用减弱可能是导致老年性视觉功能衰退的重要因素.是否皮层内兴奋性递质系统亦伴随衰老而发牛改变并影响皮层内神经兴奋与抑制的平衡尚不清楚.为此,利用Nissl染色和免疫组织化学染色方法以及Image-Pro Express图像分析软件对青、老年猫初级视皮层(17区)内各层神经元密度、兴奋性递质谷氨酸免疫反应阳性(Glu-immunoreactive,Glu-IR)神经元密度以及抑制性递质γ-氨基丁酸免疫反应阳性(γ-aminobutyric acid.immunoreactive,GABA-IR)神经元密度进行了统汁分析.结果显示,青、老年猫初级视皮层各层神经元密度均没有明显的年龄性差异(P>0.05);与青年猫相比,老年猫初级视皮层Glu-IR、GABA-IR神经元密度均显著减少(P<0.01),而Glu.IR/GABA.IR神经元密度比率去却显著增大(P<0.01).结果提示,老年猫初级视皮层内兴奋性递质系统作用相对增强,而抑制性递质系统的作用相对减弱,导致皮层内兴奋-抑制平衡关系失调,这可能是引起老年个体视觉功能衰退的重要原因之一.     

猫外侧膝状体年龄相关性形态学变化

目的比较青年猫与老年猫外侧膝状体(lateral geniculate nucleus,LGN)神经元及γ-氨基丁酸(gama-aminobutyric acid,GABA)能神经元的年龄相关性变化,探讨老年个体视觉功能衰退的相关神经机理。方法Nissl染色示猫外侧膝状体分层结构(A、A1、C3层)及神经元,免疫组织化学法示GABA免疫阳性神经元。光镜下观察、拍照,Nissl染色切片测量外侧膝状体各层厚度、神经元胞体直径并计数神经元数量;免疫组化染色切片测量外侧膝状体各层中GABA阳性神经元胞体直径并计数GABA阳性神经元数量。结果青年猫及老年猫外侧膝状体各层厚度、神经元数量及胞体直径无明显改变(P>0.05);与青年猫相比,老年猫外侧膝状体各层中GABA阳性神经元数量及胞体直径均有不同程度的显著下降(P<0.01),且GABA免疫阳性反应减弱。结论在动物个体衰老进程中,外侧膝状体总体神经元保持相对稳定可能对老年个体维持视觉功能具有一定意义;老年个体外侧膝状体GABA能神经元对视觉信息传递及整合过程的抑制性调节功能削弱,可能是外侧膝状体水平上导致老年个体视觉功能衰退的原因之一。     

Involvement of synaptic NR2B-containing NMDA receptors in long-term depression induction in the young rat visual cortex in vitro

Activation of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) has been implicated in various forms of synaptic plasticity depending on the receptor subtypes involved. However, the contribution of NR2A and NR2B subunits in the induction of long-term depression (LTD) of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in layer II/III pyramidal neurons of the young rat visual cortex remains unclear. The present study used whole-cell patch-clamp recordings in vitro to investigate the role of NR2A- and NR2B-containing NMDARs in the induction of LTD in visual cortical slices from 12- to 15-day old rats. We found that LTD was readily induced in layer II/III pyramidal neurons of the rat visual cortex with 10-min 1-Hz stimulation paired with postsynaptic depolarization. D-APV, a selective NMDAR antagonist, blocked the induction of LTD. Moreover, the selective NR2B-containing NMDAR antagonists (Ro 25-6981 and ifenprodil) also prevented the induction of LTD. However, Zn2+, a voltage-independent NR2A-containing NMDAR antagonist, displayed no influence on the induction of LTD. These results suggest that the induction of LTD in layer II/III pyramidal neurons of the young rat visual cortex is NMDAR-dependent and requires NR2B-containing NMDARs, not NR2A-containing NMDARs.     

The morphofunctional characteristics of the neurons in the sensorimotor cortex of old rabbits during the trace assimilation of rhythm]

Extracellular neuronal activity was recorded from 460 neurons from alert young (5-7 months), middle-aged (54-65 months) and old (66-85 months) rabbits. Trace rhythmic activity of sensorimotor cortical neurons was examined after long-lasting (10-20 min) rhythmic (0.5-2 Hz) electrocutaneous stimulation of the contralateral forelimb. Spectral analysis of spike activity showed age-related differences in capability of producing a rhythm of previous stimulation in spontaneous neuronal activity. In young animals propriate rhythmic fluctuations of firing rate appeared after the first or second sessions of stimulations (on the first experimental day), in middle-aged ones--after 2-4 sessions (on the second or third days); cortical neurons in old rabbits did not exhibit trace rhythmic activity. Significant morphological changes in glial and neuronal cells were observed in sensorimotor cortex of old rabbits. It is proposed that morphological deteriorations may be the reason of the impairement of trace processes during aging.     

Age-related changes of structures in cerebellar cortex of cat

We studied the structures of the cerebellar cortex of young adult and old cats for age-related changes, which were statistically analysed. Nissl staining was used to visualize the cortical neurons. The immunohistochemical method was used to display glial fibrillary acidic protein (GFAP)-immunoreactive (IR) astrocytes and neurofilament-immunoreactive (NF-IR) neurons. Under the microscope, the thickness of the cerebellar cortex was measured; and the density of neurons in all the layers as well as that of GFAP-IR cells in the granular layer was analysed. Compared with young adult cats, the thickness of the molecular layer and total cerebellar cortex was significantly decreased in old cats, and that of the granular layer increased. The density of neurons in each layer was significantly lower in old cats than in young adult ones. Astrocytes in old cats were significantly denser than in young adult ones, and accompanied by evident hypertrophy of the cell bodies and enhanced immunoreaction of GFAP substance. Purkinje cells (PCs) in old cats showed much fewer NF-IR dendrites than those in young adults. The above findings indicate a loss of neurons and decrease in the number of dendrites of the PCs in the aged cerebellar cortex, which might underlie the functional decline of afferent efficacy and information integration in the senescent cerebellum. An age-dependent enhancement of activity of the astrocytes may exert a protective effect on neurons in the aged cerebellum     

猫丘系层Glu与GABA表达的年龄相关性变化

为探讨青年猫和老年猫丘系层谷氨酸（Glu）与γ-氨基丁酸（GABA）表达的年龄相关性变化,利用Nissl染色显示丘系层神经元,免疫组织化学ABC法标记Glu和GABA免疫阳性神经元。光镜下观察、拍照,对Glu和GABA能免疫阳性神经元分别计数并换算成密度。利用IPE软件测量Glu和GABA免疫阳性反应灰度值（免疫阳性强度与灰度值成反比）。结果显示,Glu和GABA阳性反应神经元、阳性纤维及其终末在青年猫及老年猫丘系层均有分布。与青年猫相比,老年猫丘系层Glu能免疫阳性神经元密度显著增大（p〈0.01）,免疫阳性反应灰度值显著降低（p〈0.01）,免疫阳性反应显著增强;GABA能免疫阳性神经元密度显著下降（p〈0.01）,免疫阳性反应灰度值显著升高（p〈0.01）,免疫阳性反应显著减弱。结果提示,衰老过程中猫丘系层Glu的表达增强和GABA的表达减弱导致兴奋性神经递质和抑制性神经递质之间的平衡失调,可能是视觉、听觉、躯体感觉等单感觉功能衰退及多感觉整合功能增强的主要原因之一。     

猫视皮层星形胶质细胞的老年性变化

电生理研究结果显示,在衰老过程中猫的视皮层神经元对视觉刺激的反应性出现显著的功能衰退,是否这种功能性衰退伴随胶质细胞活动的改变尚无直接的实验证据。以前期电生理实验猫为材料,用免疫形态学方法比较青年猫和老年猫初级视皮层内星形胶质细胞的活动状况。利用Nissl染色显示猫初级视皮层组织结构,用免疫组织化学方法（SABC法）显示GFAP免疫阳性（GFAP-IR）星形胶质细胞。光镜下观察、拍照,对GFAP-IR细胞计数并换算成密度,测量GFAP-IR直径取平均值。老年猫初级视皮层灰质各层及白质内的GFAP-IR细胞密度比青年猫的显著升高（p〈0.001）。与青年猫相比,老年猫视皮层灰质和白质中GFAP-IR细胞的平均直径均比青年猫的显著增大（p〈0.0001）,且老年猫视皮层内GFAP阳性免疫反应较青年猫的明显增强。老年猫初级视皮层神经元功能衰退伴随着星形胶质细胞活动的增强,胶质细胞活动增强有助于神经元之间的信息交流,因而可能对衰老过程中神经元的功能衰退起补偿作用。     

幼年大鼠视皮层神经元对闪光刺激的反应特性

哺乳动物视觉系统的发育延续到出生后,大鼠出生后 3~5 周是视觉系统发育的关键期 . 在关键期中,视皮层的兴奋性和抑制性突触连接逐渐成熟,形成有效的皮层内回路 . 为了观察发育关键期大鼠视皮层神经元的反应特性与成年大鼠的异同,使用胞外单细胞记录的方法对比研究了幼年和成年大鼠对闪光刺激的视觉反应特性 . 结果显示：与成年大鼠相比较,幼年大鼠视皮层神经元对持续闪光刺激显示出更强的适应性,对光刺激的诱发放电频率更低,而在没有光刺激时的自发放电频率更高,从而导致信噪比更低 . 这一结果表明,幼年大鼠视皮层对连续刺激的反应能力下降,对信号的分辨能力也更弱,其原因可能是兴奋性突触和抑制性突触发育的不同步所致 .     

Top-Down Inputs Enhance Orientation Selectivity in Neurons of the Primary Visual Cortex during Perceptual Learning

Perceptual learning has been used to probe the mechanisms of cortical plasticity in the adult brain. Feedback projections are ubiquitous in the cortex, but little is known about their role in cortical plasticity. Here we explore the hypothesis that learning visual orientation discrimination involves learning-dependent plasticity of top-down feedback inputs from higher cortical areas, serving a different function from plasticity due to changes in recurrent connections within a cortical area. In a Hodgkin-Huxley-based spiking neural network model of visual cortex, we show that modulation of feedback inputs to V1 from higher cortical areas results in shunting inhibition in V1 neurons, which changes the response properties of V1 neurons. The orientation selectivity of V1 neurons is enhanced without changing orientation preference, preserving the topographic organizations in V1. These results provide new insights to the mechanisms of plasticity in the adult brain, reconciling apparently inconsistent experiments and providing a new hypothesis for a functional role of the feedback connections.