神经元放电阈值的可变性及其意义

神经元能够将不同时空模式的突触输入转化为时序精确的动作电位输出，这种灵活、可靠的信息编码方式是神经集群在动态环境或特定任务下产生所需活动模式的重要基础。动作电位的产生遵循全或无规律，只有当细胞膜电压达到放电阈值时，神经元才产生动作电位。放电阈值在细胞内和细胞间具有高度可变性，具体动态依赖于刺激输入和放电历史。特别是，放电阈值对动作电位起始前的膜电压变化十分敏感，这种状态依赖性产生的生物物理根源包括Na⁺失活和K⁺激活。在绝大多数神经元中，动作电位的触发位置是轴突起始端，这个位置处的阈值可变性是决定神经元对时空输入转化规律的关键因素。但是，电生理实验中动作电位的记录位置却通常是胞体或近端树突，此处的阈值可变性高于轴突起始端，而其产生的重要根源是轴突动作电位的反向传播。基于胞体测量的相关研究显示，放电阈值动态能够增强神经元的时间编码、特征选择、增益调控和同时侦测能力。本文首先介绍放电阈值的概念及量化方法，然后详细梳理近年来国内外关于放电阈值可变性及产生根源的研究进展，在此基础上归纳总结放电阈值可变性对神经元编码的重要性，最后对未来放电阈值的研究方向进行展望。     

小鸡视网膜神经节细胞的反应特性: 多电极记录研究

视网膜主要进行视觉信息的初级加工和处理. 应用多电极记录技术, 对一小块保持功能活性的小鸡视网膜上的多个神经节细胞的电活动进行同步记录, 然后通过相关非线性分析方法检测提取动作电位. 对视网膜神经节细胞群体活动特性的分析, 说明了视觉信息不仅为神经元的放电频率所编码, 也为相邻神经元的协同放电活动所携带.     

皮层神经元动作电位不应期和阈电位与神经元动作电位编码的关系

目的：测量和比较感觉运动皮层Ⅱ/Ⅲ层锥体神经元和中间神经元的内在特性并研究其与动作电位编码频率和精确性的关系。方法：采用全细胞电流钳记录模式,获得的数据输入pClamp和Origin进行处理分析。结果：与锥体神经元相比,中间神经元群集动作电位具有较低的阈电位水平和较短的不应期,从而中间神经元具有较高的动作电位编码频率和精确性。结论：皮层神经元动作电位的阈电位水平和不应期调控动作电位的编码频率和精确性。     

基于能量融合积分模型的心脏生理物理活动研究

为了更深入地了解目前靠生理实验及临床手段无法洞察的心脏三维空间的电生理运行机制,分析和表现心脏复杂的电生理活动,从而揭示心脏的生理物理特性,本研究通过人类心肌细胞的动作电位传导数学模型,结合基于心脏解剖数据所建立的真实心脏组织结构的三维空间模型,构建出精细的心脏生物物理融合模型,并将心脏在三维空间中的生物物理活动表现出来.实验结果表明,基于心脏动作电位传导的融合模型,不同时刻的动作电位传导在非匀质性组织内的三维空间中的传播位置、空间关系以及生物物理过程被清晰地显示出来,心脏研究人员从而能够以视觉感知的方式认识和深入理解人类心脏电生物物理系统的功能机制,并有助于进一步推测心脏的生理和病理反应.     

大鼠多通道在体记录北大核心

多通道在体记录技术,能在自由活动的动物脑内,观察和记录局部脑区群体神经元的活动状况,是分析大脑神经信息编码的有力工具。要开展多通道在体记录研究,多电极阵列驱动器的设计非常关键,也是实现该技术的一大难点。根据转动螺杆推动螺帽移动的机械驱动原理,作者设计了适合大鼠多通道在体记录的、独立可调式16道电极阵列驱动装置。通过该装置,可对16道记录电极中的任意一道进行独立驱动,从而控制每根记录电极在大鼠大脑中的垂直记录位置。运用该多电极阵列驱动装置,对大鼠单侧海马脑区的多通道在体记录表明,在大鼠海马CA1区,存在不同放电波形和放电模式的神经元,它们分别与海马CA1区的锥体神经元和中间神经元相对应。一般锥体神经元动作电位的放电波形较宽,放电频率则较低。在海马CA1区还存在编码空间环境中特定位置信息的神经元,被称为位置细胞。这些位置细胞在某一空间环境中有各自对应的反应区域,在该区域内位置细胞的放电频率增加,在区域外则基本维持在一较低的活动水平。     

多通道在体记录技术——神经元放电与节律性场电位间的相位分析方法

本文旨在介绍神经元放电序列与节律性场电位间的相位分析方法。多通道在体记录技术能同时记录群体神经元和局部场电位的活动信号。神经元的放电活动一般表征为放电时间序列;而在局部场电位信号中,则包含有不同频率成分的周期性节律振荡。相位分析主要考察神经元放电时刻与周期性节律场电位相位间的相互关系。具体分析时,先运用Hilbert变换计算出某一频段节律场电位信号的瞬时相位值,然后再计算某一神经元放电序列中每个动作电位相对于该节律场电位的放电相位,最后通过考察这些放电相位的分布特性,来判断该神经元与该节律场电位相位间的放电相位关系。如一神经元放电序列对某种节律场电位的相位分布经统计检验不是随机的,则表明该神经元对这种节律场电位有放电锁相关系。Theta相位进动则是一种特殊的神经元放电与周期性节律场电位间的相位关系,也是海马位置细胞放电的基本特性之一。海马位置细胞在位置野内一般呈theta节律簇状放电模式,而相位进动是指每一theta波内放电的theta相位,相对上一theta波会逐渐提前。这一现象可通过对位置细胞放电的theta相位和动物实时位置使用线性模型来描述;并运用圆周线性相关分析法,计算它们之间的相关系数,从而研究位置细胞在位置野中的放电相对于theta相位的进动情况。通过相位分析,可以帮助我们了解神经元放电与节律性场电位信号间的时间信息编码特性。     

多通道神经信号分析方法及其应用

在神经科学研究中,多通道记录方法被普遍应用在对神经元群体活动特性的研究中.通过分析多个神经元的活动,可以了解神经系统协同编码外界信息的规则以及大脑实现各项功能的机制.为了挖掘出多通道神经信号中携带的信息及其潜在的相关性,需要合适的计算方法辅助对神经元放电活动进行解码.本文回顾了多通道神经信号分析中的一些常见方法,以及它...     

大鼠多通道在体记录

多通道在体记录技术,能在自由活动的动物脑内,观察和记录局部脑区群体神经元的活动状况,是分析大脑神经信息编码的有力工具。要开展多通道在体记录研究,多电极阵列驱动器的设计非常关键,也是实现该技术的一大难点。根据转动螺杆推动螺帽移动的机械驱动原理,作者设计了适合大鼠多通道在体记录的、独立可调式16道电极阵列驱动装置。通过该装置,可对16道记录电极中的任意一道进行独立驱动,从而控制每根记录电极在大鼠大脑中的垂直记录位置。运用该多电极阵列驱动装置,对大鼠单侧海马脑区的多通道在体记录表明,在大鼠海马CA1区,存在不同放电波形和放电模式的神经元,它们分别与海马CA1区的锥体神经元和中间神经元相对应。一般锥体神经元动作电位的放电波形较宽,放电频率则较低。在海马CA1区还存在编码空间环境中特定位置信息的神经元,被称为位置细胞。这些位置细胞在某一空间环境中有各自对应的反应区域,在该区域内位置细胞的放电频率增加,在区域外则基本维持在一较低的活动水平。     

电压门控钠离子通道β亚基的研究

电压门控钠离子通道对Na+的选择性通透是神经元等兴奋性细胞产生动作电位的基础。该通道为跨膜蛋白,主要是由形成孔道的α亚基和一个或几个辅助性的β亚基组成,近年来发现,β亚基对α亚基的调节主要是在调节钠通道的膜上表达和亚细胞定位方面。由于β亚基的突变不仅能够引起动作电位的传导异常,导致神经元功能障碍,引发多种心脏系统疾病,包括恶性心律失常、Brugada综合征、QT间期延长综合征及其他传导性疾病,还能引起亨廷顿病(Huntigton’s diaease,HD)等神经系统疾病。本文就近几年钠离子通道β亚基生理功能的研究及其突变体与疾病的关系等方面作一阐述。     

脊髓背角胶状质神经元形态与电生理学特性的研究进展

脊髓背角胶状质神经元在痛信息传递过程中具有重要作用。其形态学分类及电生理学特性复杂,形态学大体上可分为岛神经元、中央神经元、放射状神经元、垂直神经元以及不能分类神经元;电生理学主要包括被动膜特性(静息电位、膜电容和膜电阻)、主动膜特性(动作电位,包括其放电模式、阈值、基电流、半宽度、振幅等)以及兴奋性或抑制性突触后电流等。本文对国内外脊髓背角胶状质神经元形态学与电生理学的研究进展予以综述。     

蝎毒耐热蛋白对大鼠急性分离海马神经元兴奋性的影响

应用全细胞膜片钳记录技术在电流钳模式下观察经持续高温等特殊处理后分离纯化的30～50 kDa蝎毒耐热蛋白(scorpion venom heat resistant protein,SVHRP)(国家发明专利,专利号ZL01 106166.92)对急性分离大鼠海马神经元兴奋性的影响.结果发现SVHRP可致海马神经元兴奋性降低.神经元经1×10-2 μg/mL SVHRP处理后动作电位发放模式改变,发放频率减少.在52个受检细胞中,有45个细胞产生位相放电(占86.54%);7个细胞产生重复放电(占13.46%).在产生位相放电的45个细胞中,有8个细胞在SVHRP处理后仍可以诱发出位相放电(占17.78%);37个细胞在SVHRP处理后无法诱导出位相放电(占82.22%),SVHRP处理后动作电位的产生与处理前相比,有显著差异(P＜0.01,n=45);在产生重复放电的7个细胞中,在1×10-2μg/mL SVHRP作用后均不能再次诱发出重复放电,而是产生一个动作电位或不再产生动作电位,药物处理前产生的动作电位个数为14.57±1.00,SVHRP处理后产生动作电位的个数为0.57±0.20,二者之间有显著性差异(P＜0.01,n=7).1×10-4 μg/mLSVHRP处理后,诱发动作电位产生的基强度由(75.10±8.99)pA增加到(119.85±12.73)pA(P＜0.01,n=8);阈电位由(-41.17±2.15)mV升至(-32.40±1.48)mV(P＜0.01,n=8);动作电位峰值由(68.49±2.33)mV下降至(54.71±0.81)mV(P＜0.01,n=8).由于神经元超兴奋性被认为是癫痫发作的基本机制之一,因此上述结果表明SVHRP有可能通过降低海马神经元兴奋性发挥其抗癫痫作用,这为蝎毒药物的进一步开发提供理论依据.     

大脑中的抉择神经元

近年来神经科学领域的进展表明,大脑中不仅存在如位置神经元之类的特异性编码感觉信息的神经元,也存在能够特异性地反映动物思考过程的神经元。在一系列以侧内顶叶(LIP)为目标的猕猴电生理实验中,人们发现LIP神经元的动作电位发放率可以反映抉择思考的过程。抉择的研究为我们打开了一个研究大脑高级认知功能的窗口。抉择神经元的发现表明了大脑的高级认知功能是基于与感觉信息处理类似的神经计算原理。     

关于耦合神经元活动时的能量原理

最近美国耶鲁大学的神经科学家们用实验数据表明,哺乳动物大脑皮层中神经信号的传递是一个代价昂贵的能量支出过程,而神经信号的编码是与能量代谢紧密地耦合在一起的,但是到目前为止还无法定量给出神经元活动时的能量函数。在这篇文章中,能量原理被用于神经活动和神经信息处理机制的研究,在电生理实验数据的基础上,建立神经元活动的用能量函数表示的运动方程。结果表明用能量函数表达耦合神经元的阈下电活动和动作电位,数值计算结果与用Hodgkin-Huxley方程所描述的动作电位一致。从而有可能依据能量原理从脑信息处理的角度揭示和理解大脑神经网络系统的信息表现规律。     

味觉感受细胞离子通道和动作电位的建模与仿真

结合膜片钳测量的味觉感受细胞离子通道实验数据,提出了一个哺乳动物味觉感受细胞动作电位的数学模型.首先,建立了味觉感受细胞的电压门控Na＋通道和外向延迟整流K＋通道的模型,在此基础上建立了味觉感受细胞的单细胞计算模型.其次,仿真研究了味觉感受细胞在电刺激和酸味刺激下产生的动作电位,以及离子通道动力学特性对其的影响.该模型对于研究味觉感受细胞在味觉物质刺激下产生的动作电位及其离子通道的工作机制,以及味觉信息在外周神经的传递和信息编码具有指导意义。     

中枢神经元放电的在体多通道同步记录技术

中枢神经元放电的在体多通道同步记录技术是采用细胞外记录的方法来监测神经元群的同步电活动。该系统包括微电极阵列(microarray)、数据采集和分析系统。应用这一技术可以同步记录多个脑区的大量神经元的电活动,研究不同脑区的神经元放电在时间和空间上的联系,进而通过分析神经元的放电模式来研究大脑对外部事件的编码机制。     

脑能量代谢：星形胶质细胞-神经元耦合

脑是能量需求旺盛器官,能量底物的传递保证了神经元正常活化。星形胶质细胞在脑能量的产生、传递、利用和储存中具有重要功能。星形胶质细胞和神经元相互作用是脑能量代谢的核心,也是神经能量学研究的重点。本文简要综述星形胶质细胞和神经元各自的代谢特点及两者之间的代谢耦合和代谢机制。     

新生大鼠下丘脑神经元发育过程中膜特性变化

大鼠出生后下丘脑神经元温度敏感性逐步升高,采用电流钳技术发现,膜被动特性在出生后18 d内变化显著,同时峰电位升高,动作电位间期延长,前电位及后电位均有明显的变化,大多数神经元表现为单次放电.这些结果表明发育过程中离子通道的密度和活动特性发生了改变,同时温度敏感性与突触特性存在着一定的关系.     

神经元钙激活钾电流的特征和功能

钙激活钾电流是由动作电位激活的一类外向钾电流,它是由不同类型的钙激活钾通道所介导。钙激活钾电流参与动作电位复极化和后超极化的电位的形成,并通过调节神经元的放电频率和影响神经元的放电类型参与神经元的多种上生理功能。     

低频音声源定位的内部延迟机制研究进展

低频音水平声源定位的主要信号为耳间时间差,主要由两耳间距决定.同时,两耳信号的中枢传递时间也存在内部延迟.当声源与头位置关系所产生的耳间时间差准确地被内部延迟弥补或代偿时,引起重合探测神经元的最大放电,而听觉中枢则以此来编码水平位置.Jeffress认为内部延迟是两侧轴突到探测神经元长度的不同所产生的传导延迟,但事实上对于内部延迟的形成机制目前仍存争议.本文就相关争议进行综述.     

伤害性刺激和电针对大鼠中缝大核内缝-脊神经元的效应

用玻璃微电极细胞外记录大鼠中缝大核神经元放电,刺激脊髓胸段背外侧部诱发逆行动作电位,根据其潜伏期恒定性,能跟随高频刺激以及可与自发放电碰撞而消失等标准来鉴定缝-脊神经元。共记录45个缝-脊神经元,其传导速度多在15—60m/s 范围。对伤害性刺激发生兴奋性(增频)反应的31个,抑制性(减频)反应的6个。两个类型神经元的自发放电频率分别为5.74±0.96Hz 和12.03±2.68Hz。另有3个为兴奋抑制转化型,反应的转化与背景自发放电水平有关,即放电频率低时,对伤害性刺激为兴奋性反应,而当自发放电频率增高时,则转化为抑制性反应。此外还有5个神经元对伤害性刺激无明显反应。电针“足三里”对兴奋型的缝-脊神经元(n=13)能明显激活并抑制其伤害性反应,后者可能是由于下行抑制而产生的继发性效应。