小脑控制不同类型眼动的神经编码机制：从小脑皮层到小脑核团

近年来许多研究发现,小脑作为运动控制的主要脑区,除参与运动控制外也与孤独症、精神分裂症、奖励相关的认知功能和社会行为有关,因此小脑相关研究越来越受到重视。研究小脑参与运动学习和运动控制的神经机制是神经科学中最重要的课题之一。眼睛运动的肌肉协调和生物运动特征比其他类型的运动更简单,这使眼动成为研究小脑在运动控制中作用的理想模型。作为收集外界信息的主要方式之一,视觉对日常生活至关重要。为确保清晰视觉,3种主要类型的眼动（眼跳、平滑追随眼动（SPEM）和注视）需受小脑的精确控制,以确保静止或移动的物体保持在视小凹的中心。异常眼动可导致视力障碍,并可作为诊断各种疾病的临床指标。因此,眼动控制研究具有重要的医学和生物学意义。虽然对小脑皮层和顶核在调节眼动中的作用有基本了解,但眼动动力学编码的确切神经机制,尤其是小脑顶核控制追随眼动和注视的神经机制仍不清楚。本综述总结了目前小脑在运动和认知等方面的主要研究问题与小脑相关研究的潜在应用价值,以及近年来有关小脑控制眼动的相关文献,并深入探讨了利用单细胞记录和线性回归模型分析小脑皮层和顶核同一神经元同时参与控制不同类型的眼动,而不同类型眼动的不同动力学参数编码原则不同。此外,基于检测微眼跳的研究结果,我们讨论了小脑顶核参与控制视觉注视的可能神经机制。最后,讨论了最近技术进步给小脑研究带来的新机遇,为今后与小脑相关的研究和脑控义肢的优化控制（例如通过单独改善运动参数优化义肢控制）提供了新思路。     

仿生黏弹性高分子水凝胶及其生物医学应用

天然细胞外基质和生物体软组织固有的黏弹性是调控细胞行为和组织修复与再生过程的关键因素.基于动态建构化学反应交联得到的动态高分子水凝胶材料可有效模拟在体细胞或组织的黏弹性力学微环境,为体外调控细胞命运、揭示其力学生物学响应机制提供了重要工具,也为组织修复与再生提供了仿生支架材料.本综述在介绍天然细胞外基质及生物体软组织黏弹性的基础上,重点对仿生黏弹性水凝胶材料的设计思路、性能表征及影响因素等进行了概括和总结,并揭示了黏弹性水凝胶调控细胞、组织行为的规律及机制,最后,分析了目前该领域研究中所存在的问题并对未来发展方向进行了展望.本综述将有助于启发高分子水凝胶的仿生功能化设计思路及材料生物学效应研究,进一步拓展高分子水凝胶材料的生物医学应用.     

软体动物和甲壳动物酚氧化酶的研究进展

软体动物和甲壳动物的很多品种都是重要的经济养殖品种.随着养殖业集约化程度的提高,各种病害频繁发生,造成了巨大的经济损失.于是越来越多的人开始关注软体动物和甲壳动物的免疫防御系统,并对其进行研究.酚氧化酶(phenoloxidase,PO)是一种含铜的氧化酶,广泛存在于微生物、动物和植物体内.作为酚氧化酶原激活系统的重要一员,PO在无脊椎动物的先天免疫机制中起着重要的作用,有关其生物化学、免疫学和分子生物学特性的研究一直以来受到广泛关注,尤其在节肢动物中进展很快.作者对酚氧化酶在软体和甲壳动物中的功能、组织定位及表达、基因克隆和序列分析及其系统演化等几个方面的研究进展进行了综述.基因序列分析和系统进化树证据均表明,催化功能相同的软体动物酪氨酸酶与节肢动物PO的基因有较大差异.该结果对目前被广泛接受并使用的酪氨酸酶专门用于哺乳类,酚氧化酶专门用于无脊椎动物的分类法提出了挑战.因此作者建议,将酚氧化酶专门用于节肢动物,酪氨酸酶用于软体动物等非节肢动物和脊椎动物.     

鞭毛细菌游动机理研究进展

鞭毛细菌是在低雷诺数条件下运动的生物体,通过旋转鞭毛而向前游动。通过概述细菌鞭毛的游动机理、在不同游动方式下鞭毛丝几何形态之间转换的物理现象、菌体反转对成束的影响以及在靠近壁时运动的墙效应机理的最新研究,提出一种与鞭毛细菌运动动力相似的宏观等效模型,该模型可以用于进一步研究鞭毛细菌的游动机理,并为仿生微型游动机器人的构造和应用提供理论研究的基础。     

以透明脑,观澄明心——斑马鱼神经功能研究进展

斑马鱼是一种相对新颖的模式脊椎动物,具有脊椎动物保守的神经系统构造和丰富的行为模式.近年来随着在体电生理、光学成像、遗传工程等方法的建立和完善,幼龄斑马鱼因其脑部透明、结构简单的特点,日益成为从突触、神经元、环路到行为等多层次,在全脑尺度上探究神经系统功能机制的理想动物模型.本文综述了近年来利用斑马鱼在感觉信息处理、运动控制、学习与神经可塑性等方向上所取得的重要研究进展,并对新技术的开发提出了展望.随着研究思路的深化和实验手段的推陈出新,斑马鱼模式动物必将成为探索脑工作原理之利器,为神经科学研究带来更多的突破.     

骨细胞微环境仿生模拟技术

骨细胞是生长于骨组织中的重要功能性细胞,承载着力学感知、骨重建平衡、机体矿物质代谢和内稳态调节等多种重要功能.骨陷窝-骨小管网络系统为骨细胞生长和功能发挥提供了稳定的结构微环境,骨基质的主要成分Ⅰ型胶原蛋白和羟基磷灰石是骨细胞黏附、细胞与细胞以及细胞与细胞外基质相互作用的生化微环境基础.而骨细胞多种生理功能的发挥离不开其对周围力学微环境变化的感知与响应.此外,骨细胞对周围环境非常敏感,微环境结构、生化组成和力学刺激的变化会对骨细胞结构和功能产生较大影响.因此,在微环境基础上研究骨细胞的结构和功能,是阐明骨细胞力学感知机制、发现骨细胞新的生物学功能的前提.然而,骨陷窝-骨小管网络系统复杂的结构和坚硬的质地,给在体研究带来了很大的困难.体外构建骨细胞仿生微环境成为骨细胞结构功能研究的必经之路.本文系统介绍了骨细胞的结构、生化和力学微环境,回顾了体外骨细胞微环境仿生模拟技术的最新进展,旨在为骨基础生物学、组织工程和再生医学的发展提供参考.     

骨骼肌肉建模及其仿真

该文首先对骨骼肌肉模型进行探讨,并且在Zajac肌肉力学模型下,通过仿真软件"Virtual Muscle 3.1.5"对骨骼肌进行仿真.根据不同的肌肉性状和肌肉骨骼运动状态进行了不同的仿真实验,并且得到很好的模拟结果.本实验主要针对老年人和受伤肌肉,研究其特性与正常肌肉的异同,通过仿真实验的最终结果,分析得出了肌肉性状变化,特别是长肱二头肌,会对肌肉施力功能产生很大的影响.     

非洲爪蟾在神经系统疾病研究中的应用

在生物医学研究领域,使用合适的动物模型研究大脑运行机制和疾病机理至关重要。作为经典的脊椎动物模型,非洲爪蟾在研究神经环路构建和功能以及神经疾病的分子机制中具有一定优势。因为非洲爪蟾的胚胎发育过程与人类器官形成过程相似,同时,神经系统疾病往往与神经系统功能异常和发育缺陷有关,所以一些人类疾病在基因和形态上的功能机制可以通过非洲爪蟾的胚胎发育模型进行在体研究,且神经前体细胞的增殖分化以及视觉刺激依赖的神经环路稳态和功能研究已经相对成熟。目前,该模型已经在癫痫和自闭症及表观遗传调控等相关疾病的研究上得到了应用。该文将分别介绍非洲爪蟾蝌蚪模型在环境毒物诱发疾病、神经发育障碍以及表观遗传疾病机制研究领域的最新进展。     

生物运动识别的信息加工机制

识别其他生物体的运动对于个体的生存和社会交互都有极为重要的意义.本文首先基于生物运动识别的行为学、心理物理学、脑损伤和精神障碍研究介绍了生物运动识别的一些特性和影响因素;然后基于神经影像学、脑损伤和神经电生理学研究从视觉系统背腹侧双通路加工的角度,梳理了其信息加工机制的进展;最后对生物运动识别信息加工神经机制的研究方向提出了一点建议,并指出研究过程中需要注意的问题.     

昆虫仿生

昆虫在长期进化过程中发展出与其生存环境相适应的器官系统,这些器官系统结构独特、功能优异,因而,昆虫一直是最重要的仿生对象之一。作者就昆虫仿生的进展及热点,如昆虫的形态仿生、体表微结构的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生以及其他特异能力的仿生进行了介绍。     

基于AnyBodyTM技术的人体运动建模方法

人体运动的建模与仿真是当今运动生物力学研究的一个热点.利用数值模型研究人体的运动规律,是人体运动研究的一个重要手段和有效工具.其关键技术在于应用逆向运动学方法求解人体运动,并获取人体运动中各个肌肉力学上技术参数.文中主要探讨基于AnyBodyTM System软件人体运动仿真的建模方法来研究人体运动力学规律,结合The AnyBodyTM system对人体运动具体应用,说明The AnyBodyTM system技术在人体运动仿真领域的优势.     

幼年斑马鱼的视觉系统与捕食行为

神经环路的研究是揭示动物行为神经机制的关键。斑马鱼作为一种低等脊椎动物, 在神经环路的研究中有着独特优势。文章描述了斑马鱼视觉系统及其下游的神经环路, 重点讨论了它们在捕食行为中的可能作用。斑马鱼捕食行为主要依赖于视觉功能, 该过程涉及到视觉-运动通路各个层次的神经环路, 包括下游的网状脊髓命令神经元、脊髓内部的运动控制环路以及一些亟待研究的功能单元。随着在体记录和操纵神经元活动技术的成熟, 以及行为学范式的完善, 对斑马鱼捕食行为相关神经环路的研究将在未来数年内迅速发展, 同时也将推动神经科学相关研究的进步。     

从《尔雅》到现代贝类学

贝类是动物学界的第二大门类——软体动物门,全球约有115000多种。软体动物门的动物种类多、分布广,与人类关系密切,有史以来与人类经常接触。贝类学又称软体动物学,是研究软体动物的分类、形态、生理、生态等的一门学科。     

体育运动训练增强肌肉可塑性和大脑可塑性

体育运动训练改变肌肉和大脑的结构和功能。运动训练可以增加肌肉中毛细血管的数量,改变肌原纤维的比例,刺激多种细胞因子和肌肉因子的合成与分泌,增加肌肉体积,增强肌肉力量。相反,身体活动长期受限则会使肌肉体积减小,肌肉力量下降。另外,运动训练还会使大脑部分脑区的灰质体积增加,促进神经发生,促进脑血管增生,改变大脑激活模式及其结构和功能联结,增加神经营养因子水平。这些作用受运动类型、运动时长、运动强度的影响或调节。目前我们对肌肉可塑性与大脑可塑性之间关系的了解还十分有限。运动相关的代谢过程与肌肉收缩的分泌物可能与大脑可塑性有密切关系。本综述为倡导运动锻炼,制定科学的运动和康复方案提供理论依据和实践指导。     

肌肉力量的微观起源

人体实现机械运动所需的力量是由肌肉产生的。理解肌肉的力产生机理是目前科学研究的最前沿课题之一。肌肉的最基本单元是肌小节。肌小节是一个设计极为精巧的力学装置,其中负责产生力的是一种叫做肌球蛋白的分子马达。通过介绍肌小节和肌球蛋白的结构和工作原理,可以看到生命如何利用蛋白质分子巧妙地实现了复杂的力学功能。此外,对于肌球蛋白马达研究中有待理解的相关问题也进行了简要介绍。     

神经肌肉接头研究世纪回顾

神经肌肉接头作为突触解剖、生理和发育的模型已被研究了一个多世纪。成像技术提供了诸多关于神经肌肉接头的信息,其中一些技术是专为观察该突触的结构和功能而发展起来的。本文回顾了神经肌肉接头研究中几个重要方面的发展史,包括其结构、N型乙酰胆碱受体的分布、突触小泡释放,以及神经肌肉接头的发育。     

趋磁细菌运动特性的研究进展

细菌的运动性是影响其生存及致病的一个关键条件,同时也为合成和开发仿生运动体、微型机器人等提供了有效的模型.趋磁细菌具有胞内磁小体从而能够感知磁场的变化,进而影响其运动行为.目前,这种外部磁场与生物体的远程响应模式已在环境、医疗、材料等领域有广泛应用.因此,聚焦于趋磁细菌的运动特性,综述了趋磁细菌运动行为的表征、运动机理...     

国际脑研究近况

近30年来,由于微电极和单通道记录以及免疫组化等技术的发展,人们对个别神经元和神经元通讯机能的了解,已经取得了举世瞩目的进步或突破。对此,J.C.Eccles 和 Szentagothai 等神经生理学家在第三十届世界生理科学大会上作了历史性的回顾,世界各国神经科学工作者就运动系统的神经控制、感觉处理、发育、再生和可塑性、神经系统高级机能、横纹肌收缩机制、平滑肌、肌肉力学、受体和通道,以及节律     

运动想象的脑机制及其在运动功能康复中应用的研究进展

运动想象对大脑相关功能有明显的改善作用,目前正在大量应用于运动训练和康复治疗领域.近年来随着诸如功能磁共振等成像工具的出现,神经成像的复杂程度得到了不断提高,从而推动了人们对运动想象的脑机制尤其是涉及多脑区之间的协同作用机制的认识逐步深入.针对运动想象的多脑区之间相互协作机制及运动想象在运动功能康复中的应用作了详细介绍.     

中枢胆碱能系统投射支配鸣禽鸣唱控制系统并调控鸣唱行为

鸣禽因其独特的习得性鸣唱行为,成为了研究运动学习的理想模型。现已证实,鸣禽的鸣唱行为受前脑内的鸣唱控制系统直接调控。有证据显示,鸣唱控制系统内有胆碱能递质及其受体分布,其中发声运动核团接受来自基底前脑中枢胆碱能系统的胆碱能神经支配,其可通过胆碱能递质影响发声运动核团的神经活动,进而影响鸣唱行为。在哺乳动物中的研究证实,中枢胆碱能系统参与了对运动行为和运动学习神经过程的调控。了解中枢胆碱能系统对鸣禽鸣唱行为的调控作用,有助于更好地理解鸣禽鸣唱运动控制和鸣唱学习记忆的神经机制,并可从比较生理学的角度,为研究其它动物感觉运动和学习记忆的神经过程,乃至人类语言产生的神经过程提供重要参考。本文对迄今国内外在胆碱能递质对鸣禽发声运动核团作用受体的选择性及其对神经元活动影响的研究进展进行了综述,为揭示中枢胆碱能系统调控鸣禽鸣唱行为的神经机理提供有价值的线索。