神经元对于高频电刺激的动态响应

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)在许多神经系统疾病的临床治疗上都展现出良好的应用前景,然而,其作用机制尚不明确.常规DBS采用高频刺激(high frequency stimulation,HFS)的脉冲序列,这种窄脉冲最容易激活神经元结构中的轴突部分,通过轴突的投射,将HFS的作用传播至下游神经元.因此,为了探讨DBS的作用机制,并鉴于海马脑区是治疗癫痫和痴呆症等疾病的重要靶点,我们研究了海马区轴突HFS对于下游神经元的作用.对麻醉大鼠的海马CA1区传入神经通路Schaffer侧支施加1 min的100 Hz高频刺激,记录并提取下游CA1区锥体神经元和中间神经元的单元锋电位.计算锋电位的发放率,以及它们与刺激脉冲之间的锁相值(phase-locking value,PLV)和潜伏期,以定量分析HFS期间神经元动作电位发放的变化趋势.结果显示,在传入轴突上施加HFS时,初期会诱发下游神经元群体同步产生动作电位(即群峰电位).在HFS后期(群峰电位消失之后),两类神经元的单元锋电位发放仍然持续,并且发放率较稳定.但是,锋电位与刺激脉冲之间的锁相性逐渐减弱、潜伏期逐渐延长.而且,与中间神经元相比较,锥体神经元锋电位的锁相性更弱、潜伏期更长.这些结果表明,持续的轴突HFS可以诱导下游神经元产生非同步的活动,高频脉冲刺激引起的不完全轴突传导阻滞可能是导致该现象产生的主要原因.本文的研究为揭示脑刺激的作用机制提供了重要信息.     

持续高频刺激改变短刺激产生的神经网络效应

不同时长的电脉冲高频刺激(high frequency stimulation,HFS)对于脑神经系统具有不同的作用.其中,数秒时长的短促HFS可通过"点燃"效应制作动物癫痫模型,也可以产生长时间保持的突触可塑性变化,而数分钟以上的长时HFS却可以安全地用于临床的深部脑刺激,治疗多种脑疾病.因此推测,持续的HFS可以改变短促刺激产生的效应.为了验证此推测,在大鼠海马CA1区的输入轴突纤维Schaffer侧支上,分别施加5 s和2 min两种时长的100 Hz HFS,并监测刺激结束后下游神经元群体对于单脉冲测试的响应电位,即群峰电位(population spike,PS).结果显示,5 s短HFS结束时会紧跟后放电痫样活动,并且,从测试脉冲诱发的PS幅值和潜伏期可见,短HFS诱导的兴奋性增强可以维持数十分钟.反之,2 min的长HFS结束时紧随之后的是数十秒无发放活动的静息期,而且,PS在数分钟内即恢复到HFS前的基线水平.这些结果表明,长时HFS的后期刺激可以改变前期短促刺激对于下游神经网络的作用,即消除短刺激可能产生的长时程兴奋效应.此发现对于深入了解高频刺激的作用机制、促进深部脑刺激的临床应用具有重要意义.     

变间隔的脉冲改变高频刺激对于脑神经元的作用

通常采用恒定电脉冲间隔的高频刺激(high-frequency stimulation,HFS),进行深部脑刺激治疗帕金森氏症等运动障碍疾病.为了开发适用于不同脑疾病治疗的新刺激模式,近年来脉冲间隔(inter-pulse-interval,IPI)变化的变频刺激模式受到关注.已有研究表明,即使具有相同的平均电脉冲频率,变频刺激与恒频刺激的治疗效果也不同.我们推测,变频刺激的短小IPI变化就足以改变HFS对于神经元的作用.为了验证此推测,本文在大鼠海马CA1区锥体神经元的输入轴突纤维上交替施加恒频刺激(100或133 Hz,即IPI=10 ms或7.5 ms)和随机变频刺激(100～200 Hz,即IPI=5～10 ms,平均频率为133 Hz),记录并分析刺激下游神经元群体的诱发电位,用于定量评价神经元对于恒频和变频刺激的响应.实验结果表明,持续的恒频刺激使得神经元的响应从最初的同步发放形成的群峰电位(population spike,PS)转变为非同步的动作电位发放(即单元锋电位).但是,当刺激切换为变频模式时,却又可以诱发神经元群体同步产生动作电位,重新形成PS波.并且,变频刺激诱发的PS幅值和神经元发放的同步程度可达基线的单脉冲刺激诱发波的水平.但是,PS的发生率只有脉冲刺激频率的7%左右,表明在持续的变频刺激时,多个脉冲累积的作用才能诱发这种同步的神经元发放.而且PS的出现与前导IPI的长度之间存在一定关系.神经元的轴突和突触等结构对于高频刺激的非线性响应可能是变频刺激诱发同步活动的原因.这些结果表明,变频刺激序列中短小的间隔变化可以产生与恒定间隔不同的调控作用.本文的结果对于揭示脑刺激的作用机制,促进新型刺激模式的开发及其在不同类型脑疾病治疗中的应用具有重要意义.     

海马区锥体神经元轴突高频电刺激对胞体的影响

目的 深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）利用持续的电脉冲高频刺激（high-frequency stimulation,HFS）调控神经元的活动，可望用于治疗更多脑疾病。为了深入了解HFS的作用机制，促进DBS的发展，本文研究轴突HFS在引起轴突阻滞期间神经元胞体的改变。方法 在麻醉大鼠海马CA1区的锥体神经元轴突上施加脉冲频率为100 Hz的1 min逆向高频刺激（antidromic high-frequency stimulation,A-HFS）。为了研究胞体的响应，利用线性垂直排列的多通道微电极阵列，记录刺激位点上游CA1区锥体神经元胞体附近各结构分层上的诱发电位，包括A-HFS脉冲诱发的逆向群峰电位（antidromic population spike,APS）以及A-HFS期间施加的顺向测试脉冲诱发的顺向群峰电位（orthodromic population spike,OPS），并计算诱发电位的电流源密度（current-source density,CSD），用于分析A-HFS期间锥体神经元胞体附近动作电位的生成和传导。结果 锥体神经...     

大鼠海马神经元对于高频脉冲刺激的暂态响应

闭环刺激是深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)的重要发展方向之一,有望用于治疗多种脑神经系统疾病.与常规开环的长时间持续刺激不同,闭环刺激通常采用短促的高频脉冲序列.而神经元对于高频刺激的响应存在暂态过程,在初期的短时间内会发生很大变化,从而影响闭环刺激的作用.为了研究这种暂态过程,在大鼠海马CA1区传出轴突纤维(alveus)上施加不同频率的恒频以及随机变频的逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS),并以逆向诱发的群峰电位(antidromically-evoked population spike,APS)的幅值作为指标来考察神经元群体的响应.研究结果表明,100、133和200 Hz的恒频A-HFS初期,APS迅速衰减,脉冲频率越高,APS衰减越快.平均不到1 s时间内APS的幅值就会下降一半以上,100 Hz时的平均半衰期为～0.96 s,频率增加1倍至200 Hz时,平均半衰期缩短至～0.21 s.使用100～200 Hz范围内实时微调脉冲间隔的随机变频刺激,则可以显著延缓神经元响应的衰减速度,延长刺激作用的维持时间.这些结果可以为短促闭环刺激等DBS新模式的开发提供依据.     

脉冲磁场对神经元动作电位发放的影响

磁场作用于生物体产生的生物效应被广泛研究。本文将脉冲磁场作用于神经元细胞,试图观察Na+通道的变化及其引起的动作电位的变化。选择频率15 Hz、强度1 mT的脉冲磁场刺激昆明小鼠大脑皮质神经元,随后进行全细胞膜片钳实验。结果显示,脉冲磁场延缓了Na+通道电流的激活,促进Na+通道电流的失活。基于经典的细胞三层介电模型,模拟了在脉冲磁场下细胞膜电位分布的极化图,结果显示诱发的膜电位大小与脉冲磁场的频率和强度有关。基于Hodgkin-Huxley(H-H)模型,仿真了脉冲磁场感应的电流作用于离子通道所产生的动作电位曲线,与不加刺激时候的曲线相比较,当外加电流在-1.32~0μA时,动作电位的产生频率减小,幅值降低;当外加电流大于0μA时,动作电位的产生频率增大,幅值变化不明显;当外加电流小于-1.32μA时,动作电位的上升时间快速变短,峰值剧烈降低,无法形成完整的动作电位,即无动作电位。以上结果提示,磁场刺激可通过调节Na+通道影响神经元动作电位的发放频率和幅值。     

高频电刺激对大鼠海马脑片癫痫样放电特性影响的研究

本文采用电极阵列检测技术,在大鼠海马脑切片上诱导出稳定的癫痫样放电,分析、研究130 Hz的高频电刺激(high-frequency stimulation,HFS) CA3区时,海马切片在癫痫发作间期放电(inter-ictal discharges,IID)和发作期放电(ictal discharges,ID)的各项参数、癫痫样放电地起始位点、传播方向和传输速率以及各频段的功率谱密度.结果显示:高频电刺激可以有效地降低癫痫发作期的幅值、减少持续时间、增长潜伏时间、抑制癫痫样放电由IID向ID的转变等.提示高频电刺激抑制癫痫的作用机制是通过促进神经元之间的抑制性传输系统,并且抑制海马神经元之间的兴奋性连接,从而达到抑制效果.     

神经解剖学和神经生理学中的基本概念简述(二)

神经冲动动作电位和分级电位用最一般的话来说,神经元的机能是迅速传播和处理信息。神经元传播信息的方法有两种:神经冲动和分级电位。动作电位是神经冲动的电信号,是神经细胞膜电位的一种迅速变化,这种变化能有100毫伏的升降。一次动作电位包括高而短的锋电位和锋电位后面低而长的后电位。一般所说的动作电位实     

家兔延髓最后区对心血管活动的调节

目的:探讨家兔延髓最后区(AP)对心血管活动的调节作用及机制.方法:以10%脲酯和1%氯醛糖混合静脉麻醉家兔,人工呼吸.给AP不同频率(10 Hz～80 Hz)电刺激,观察平均动脉压(MAP)和心率(HR)的变化;及损毁CVLM或RVLM后AP兴奋的心血管效应改变.结果:电刺激AP,低频(10 Hz、20 Hz)刺激使MAP下降、HR减慢;高频(60 Hz、80 Hz)刺激使MAP升高,HR减慢.损毁CVLM后刺激AP,20 Hz刺激引起的降压作用消失(P＜0.01),80 Hz刺激效应同前(P＞0.05).损毁RVLM后刺激AP,20 Hz、80 Hz刺激引起的降压、升压作用均消失(P＜0.01).结论:低频电刺激AP,引起降压和心率减慢,高频电刺激AP引起升压和心率减慢;前者可能与兴奋CVLM有关,不同电刺激引起的心血管效应均通过RVLM介导.     

电刺激大鼠脚内核对脚桥核神经元放电的影响

目的:观察电刺激大鼠脚内核(EP)对大鼠脚桥核(PPN)神经元自发放电的影响,进一步探讨脑内电刺激治疗帕金森病(PD)的机制。方法:应用细胞外记录的方法观察不同频率电刺激(强度0.6 mA,波宽0.06 ms,时程5 s,频率5 Hz、10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz)大鼠EP对PPN神经元放电的影响。结果:实验记录了大鼠33个神经元的自发放电,其放电频率在3.6~52.2Hz之间,平均为(15.95±8.56)Hz;当刺激频率为100Hz时,抑制效应最显著(P<0.05)。结论:高频电刺激大鼠EP对PPN神经元自发放电的影响主要为抑制作用,提示高频刺激EP可通过抑制PPN神经元活动参与PD的治疗。     

Self-influencing synaptic plasticity: Recurrent changes of synaptic weights can lead to specific functional properties

Recent experimental results suggest that dendritic and back-propagating spikes can influence synaptic plasticity in different ways (Holthoff, 2004; Holthoff et al., 2005). In this study we investigate how these signals could interact at dendrites in space and time leading to changing plasticity properties at local synapse clusters. Similar to a previous study (Saudargiene et al., 2004) we employ a differential Hebbian learning rule to emulate spike-timing dependent plasticity and investigate how the interaction of dendritic and back-propagating spikes, as the post-synaptic signals, could influence plasticity. Specifically, we will show that local synaptic plasticity driven by spatially confined dendritic spikes can lead to the emergence of synaptic clusters with different properties. If one of these clusters can drive the neuron into spiking, plasticity may change and the now arising global influence of a back-propagating spike can lead to a further segregation of the clusters and possibly the dying-off of some of them leading to more functional specificity. These results suggest that through plasticity being a spatial and temporal local process, the computational properties of dendrites or complete neurons can be substantially augmented. Action Editor: Wulfram Gerstner     

多粒小麦种质普冰10696的幼穗发育特性分析

小麦-冰草远缘杂交后代品系普冰10696具有多粒的遗传特性.为深入了解其多粒性状形成的发育进程,本研究以多粒品系普冰10696和黄淮冬麦区主推品种为供试材料,通过解剖学和统计学方法比较小花分化、退化和结实的动态进程差异,进一步解析冰草多花多粒的特性,为多粒基因型材料在育种中的应用提供理论参考.农艺性状比较结果显示,普冰...     

Studies on the relationship between air temperature and the differentiation of young spikes of winter wheat in Beijing district

In these studies the optimum temperature indices for spikelet differentiation were found. The critical period determining the number of spikelets on a spike lies between the single ridge stage and the stage of glume differentiation. During this period a daily temperature below 7.5°C is favourable for differentiation of further spikelets. The processes of differentiation of wheat spikes need certain accumulated temperatures for a mean daily temperature above 0°C. The relationship between the rate of spikelet differentiation and temperature during the differentiation period, and the of these periods are discussed. According to the effect of climate in early spring on the number of differentiated spikelets of winter wheat, three climatic types in early spring are suggested.     

Membrane Potential Fluctuations Determine the Precision of Spike Timing and Synchronous Activity: A Model Study

It is much debated on what time scale information is encoded by neuronal spike activity. With a phenomenological model that transforms time-dependent membrane potential fluctuations into spike trains, we investigate constraints for the timing of spikes and for synchronous activity of neurons with common input. The model of spike generation has a variable threshold that depends on the time elapsed since the previous action potential and on the preceding membrane potential changes. To ensure that the model operates in a biologically meaningful range, the model was adjusted to fit the responses of a fly visual interneuron to motion stimuli. The dependence of spike timing on the membrane potential dynamics was analyzed. Fast membrane potential fluctuations are needed to trigger spikes with a high temporal precision. Slow fluctuations lead to spike activity with a rate about proportional to the membrane potential. Thus, for a given level of stochastic input, the frequency range of membrane potential fluctuations induced by a stimulus determines whether a neuron can use a rate code or a temporal code. The relationship between the steepness of membrane potential fluctuations and the timing of spikes has also implications for synchronous activity in neurons with common input. Fast membrane potential changes must be shared by the neurons to produce synchronous activity.     

猫小脑第Ⅶ小叶皮层—核团投射的电生理学研究

在三碘季铵酚制动的去大脑猫上,记录了小脑后叶的第Ⅶ小叶皮层浦肯野细胞(PC)对分别刺激顶核、间位核和齿状核的逆行场电位和逆行单位反应,以确定小脑皮层PC对这三个核团投射的空间分布。在鉴定了PC对其靶核团的投射后,用特制的模拟自然屈腕运动的刺激装置来推动猫同侧前肢的掌背,造成腕关节一次轻微的屈曲,观察该PG对这一刺激的单位反应。实验资料用电子计算机处理,作出平均诱发电位和刺激后时间直方图。 本文以电生理学方法揭示,猫小脑后叶第Ⅶ小叶皮层-核团投射存在较明确的纵区分布模式,纵区之间的分界线走向有一定的弯曲,与前叶略有不同。小脑后叶皮层从中线到两侧2.8mm为顶核区(FZ);其外侧为间位核区(IZ),最大宽度约为3.5mm;齿状核区(DZ)约始于5.0mm处。这三个不同纵区的PC对外周自然屈腕刺激都有反应,但反应细胞的百分数不同,FZ有59％的PC对外周刺激有反应,IZ为84％,DZ为20％。这些结果表明后叶第Ⅶ小叶具有类似于前叶的功能分布,IZ的PC对外周刺激有更大的调制作用,提示该皮层-核团投射的纵区结构有其特定的功能意义。     

SARS冠状病毒S蛋白在昆虫细胞中的表达和纯化

导致严重急性呼吸综合征(sevcre acute rcspiratory syndrome,SARS)的元凶是一种新型的冠状病毒(SARS coronavirus,SARS-CoV)。SARS-CoV感染入侵宿主细胞关键的一环是病毒自身的棘突蛋白(spike protein,S-protein)与细胞受体的相互作用,故而S蛋白己成为SARS研究的主要热点。     

Description of electrophysiological data using a microcomputer*

ABSTRACT. Customization of an inexpensive microcomputer and peripherals to produce hard copy outputs of electrophysiological data is described. The system uses any of the Apple II series computers and a common A/D+D/A card together with a digital plotter. For the 1–2 s recordings normally used in studies of insect chemoreception, this computer configuration can replace more laborious permanent hard copy production techniques. Additional analytical programs can easily use the three data files produced by the current sytem.     

刺激中缝背核压抑大鼠小脑浦肯野细胞对苔状和爬行纤维传入的反应

本文在麻醉并制动的大鼠上观察了中缝背核(DR)条件刺激对由苔状和爬行纤维传入引起的小脑浦肯野细胞(PC)诱发反应的影响。主要结果有:(1)刺激大脑皮层感觉运动区可以引起苔状和爬行纤维向对侧小脑皮层第Ⅵ和Ⅶ小叶的传入,因而在该小叶上记录到 PC 的诱发简单锋电位(SS)和复杂锋电位(CS)反应,潜伏期分别是8—25和12—30ms。(2)以不影响PC 自发 SS 和 CS 活动的阈下强度刺激 DR,可显著地压抑 PC 对于刺激感觉运动皮层引起的苔状和爬行纤维兴奋所产生的诱发 SS 和 CS 反应,这种压抑作用可持续数百毫秒。(3)DR条件刺激对 PC 的诱发 SS 和 CS 反应的压抑作用可以被静脉注射5-HT 受体阻断剂羟甲丙基甲基麦角酰胺所减弱或阻断。上述结果表明 DR 的5-HT 能纤维传入可以降低苔状和爬行纤维对 PC 的突触作用效力,抑或降低 PC 对突触传入的反应敏感性,提示中缝-小脑5-HT,能纤维传入系统参与了小脑某些重要的神经活动过程。     

Development of membrane excitability in mammalian oocytes and early embryos

Developmental aspects of the capability to generate an action potential have been studied in mouse oocytes and early embryos, taking the peak level and the rate of rise of the action potential as parameters of cell excitability. We report here that experimentally induced membrane excitability in mouse oocytes appears throughout oogenetic growth, further develops throughout meiotic maturation, does not undergo main changes at fertilization, and slightly decreases throughout early cleavage, at least up to the four-cell stage of embryonic development. Calcium is involved in the rising phase of action potential throughout oogenesis, maturation, and early embryonic development.