多通道在体记录技术——动作电位与场电位信号处理

多通道在体记录可以同时记录到多个神经元的胞外放电信号以及对应的局部场电位的活动信号。如何对记录到的这两种电信号进行合适的处理,以确保实验结果的准确性,是运用好多通道在体记录技术的关键之一。本文旨在针对多通道在体记录的原始数据,介绍动作电位及场电位信号的常用数据处理方法。动作电位信号属于高频信号,一般用40 kHz的高速采样频率进行采集和记录。根据记录到的神经元胞外动作电位波形,运用主成分分析技术,再结合四电极记录技术的优势,可对来自记录电极周围不同空间位置的神经元放电信号进行良好的甄别,从而获得较精确的单神经元放电时间序列。而局部场电位信号属低频信号(300 Hz),一般用1 kHz的采样频率进行采集和记录。记录到的场电位原始信号需要进行数字滤波,从而分离出场电位信号中不同频率段的节律性振荡。啮齿类动物海马结构中常见的节律性振荡有动物清醒活动及快速眼动睡眠时的theta节律(4~12 Hz);清醒认知活动过程中,伴随着theta节律一起出现的gamma节律(30~80 Hz);以及清醒静止及慢波睡眠时的ripple高频振荡(100~250 Hz)。针对以上处理获得的数据,常用的后续数据分析方法有:神经元放电间隔分析、神经元放电自相关与互相关分析、以及信号的频谱分析等。     

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。     

电突触耦合神经元的相位同步及放电节律的转化

研究了两个参数失配较大情况下,处于不同放电模式的两个电突触耦合Hindmarsh-rose(HR)神经元的相位同步问题,发现在适当耦合强度下可以实现相同步并呈现出复杂的放电节律.利用峰峰间期(Interspikeinterval,ISI)和平均放电频率证实了相同步的发生,给出并分析了不同放电状态的神经元在电突触耦合下实现相同步后的神经放电节律.从相同步的角度显示,神经元同步后呈现簇放电特征或峰放电特征,除与两耦合神经元独自放电模式有关外,还与电突触耦合强度有一定的内在关系.     

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。     

糖尿病大鼠内嗅皮层神经元放电与场电位相干性研究

目的:通过分析神经元放电与场电位的相干性,探讨内嗅皮层神经元放电与场电位的关系。方法:10只成年大鼠随机分2组,一组糖尿病建模,另一组作为对照,记录对照组和糖尿病组大鼠的内嗅皮层神经元放电锋电位和场电位,利用点过程谱分析方法对神经元放电与场电位相干性进行分析对比。结果:糖尿病大鼠麻醉神经元放电与场电位的相干性明显低于对照组(P<0.01)。结论:糖尿病大鼠内嗅皮层神经元功能受到损害。     

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。     

交流外电场下映射神经元放电节律的分析

神经元不同的放电节律承载着不同的刺激信息。文章基于神经元映射模型,研究低频交流电场对神经元放电节律的影响。在外部刺激下映射模型表现出丰富的放电模式,包括周期簇放电、周期峰放电、交替放电和混沌放电。神经元对刺激频率和振幅的变化极为敏感,随着频率的增大,放电节律表现出从簇放电到峰放电和混沌放电的反向加周期分岔序列;在周期节律转迁过程中存在一种新的交替节律,其放电序列为两种周期放电模式的交替,峰峰间期序列具有整数倍特征。外电场的频率影响细胞内、外离子振荡周期,导致神经元放电与刺激信号同步,对放电节律的影响更为明显。研究结果揭示了交流外电场对神经元放电节律的作用规律,有助于探寻外电场对生物神经系统兴奋性的影响和神经系统疾病的致病机理。     

在体多通道电生理记录技术在大鼠痛情绪研究中的应用

目的:通过已建立的完全弗氏佐剂(CFA)诱导的条件位置逃避(CPA)行为模型,利用在体多通道电生理学记录技术,结合行为观察研究大鼠发生CPA反应时前扣带皮层(ACC)脑区神经元的电活动。方法:电极制作,电极埋置,在体多通道技术记录清醒大鼠r ACC脑区神经元的电活动及其CPA行为记录。结果:1自制的多通道阵列电极可成功记录到ACC神经元的放电活动;2大鼠脚掌注射CFA前后分别与不同环境匹配后,大鼠处于"痛环境"与"非痛环境"时ACC神经元spike的发放频率分别为痛环境(0.85±1.38)imp/s,非痛环境(0.22±0.97)imp/s(P0.05,n=26);3行为学分析痛环境适应前(303.55±61.77)s对比痛环境适应后(140.32±33.52)s(P0.05,n=6)。上述结果显示,脚掌注射CFA的大鼠处于痛环境时诱发ACC神经元spike放电频率增强与行为上的逃避反应同步发生;脚掌注射生理盐水的对照组并无上述反应趋势。结论:大鼠r ACC脑区神经元电活动与疼痛所致的痛厌恶相关情绪的发生有着密切的联系。     

损伤神经元自发放电的整数倍节律及其动力学机制

实验采用大鼠背根节慢性压迫动物模型,记录术后３～１０天背根节的自发放电,在１５６根纤维中观察到１７根（１１％）出现的动作电位峰峰间期以某一基础间期的整数倍出现的时间节律形式,其回归映射图为晶格状点阵结构。同时观察到Ｎａ＾＋通道特异阻剂ＴＴＸ和Ｋ＾＋通道阻断剂４－ＡＰ能对整数倍放电节律产生影响。结果表明,看似不规则的整倍数放电时间序列是有着内在的结构和规律性的, 膜上通道和环境的状态决定。建立针对本     

大鼠视上核神经元自发放电节律的确定性机制

利用非线性动力学的方法 ,在多种生物数据中找到了确定性机制。大鼠下丘脑视上核(supraopticnucleus,SON)神经元自发产生不规则的放电。为了研究这些不规则放电是否含有确定性机制 ,用电流钳对大鼠SON神经元进行全细胞纪录,取动作电位峰峰间期序列(interspikeinterval,ISI)作为研究对象。采用一种新的检测时间序列非稳定周期轨道的方法分析ISI序列 ,发现ISI含有非稳定周期轨道族 ,即周期1 ,周期2 ,和周期3存在。结果表明 ,SON神经元的自发放电序列存在确定性的动力学机制。     

大鼠视上核神经元自发放电节律的确定性机制

利用非线性动力学的方法,在多种生物数据中找到了确定性机制。大鼠下丘脑视上核（ｓｕｐｒａｏｐｔｉｃ ｎｕｃｌｅｕｓ,ＳＯＮ）神经元自发产生不规则的放电。为了研究这些不规则放电是否含有确定性机制,用电流钳对大鼠ＳＯＮ神经元进行全细胞纪录,取动作电位峰峰间期序列（ｉｎｔｅｒｓｐｉｋｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ,ＩＳＩ）作为研究对象。采用一种新的检测时间序列非稳定周期轨道的方法分析ＩＳＩ序列,发现ＩＳＩ含有非稳定     

一氧化氮对呼吸节律性放电的调节作用

实验旨在探讨一氧化氮(nitric oxide,NO)在基本呼吸节律产生和调节中可能的作用。制作新生大鼠离体延髓脑片标本,主要包含面神经后核内侧区,前包钦格复合体、腹侧呼吸组以及背侧呼吸组的一部分。同时保留舌下神经根,用改良Kreb′s液灌流脑片并记录与之相连的舌下神经根呼吸节律性放电(respiratory rhythmical discharge activity,RRDA),在灌流液中分别给予不同浓度的NO供体硝普钠(sodium nitroprusside,SNP),NO合成前体L—精氨酸(L—Arginine,L-Arg)以及神经元型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase,nNOS)特异性抑制剂7-nitro indazole (7-NI),观察其对RRDA的影响。结果显示,nNOS的特异性抑制剂7-NI对吸气时程和放电强度有明显抑制,而NO合成前体L—Arg,以及NO供体SNP对呼吸放电活动没有明显的影响。这提示,在哺乳动物基本呼吸节律的产生和调节中,NO可能对吸气中止和呼吸幅度具有调节作用。     

介绍一种记录不同神经元单位放电的积分器

应用微电极记录单个神经元放电时,需及时处理放电的频率和振幅。目前国内有的单位采用计算机处理;有的单位采用示波器连续照相后再做统计;还有一些单位采用晶体管泵鉴频器电路将放电的数字量转变为电压模拟量来记录。我们实验室根据处理神经元单位放电的需要,最近设计了一种能统计不同神经元连续单位放电的积分仪。该仪器能将不同幅度的脉冲分别加以记录;也能有效地去除刺激伪迹;根据需要还可分别选择以1、2、3、4、5秒的时间间隔统计放电频率,用长图记录仪自动描绘出放电脉冲的频率—时间图。这样,在实验过程中,就可以立即了解神经元放电频率的变化。该电路结构简单、性能稳定、价格便宜,     

呼吸性神经元在脑干中的分布及节律性呼吸的形成

延髓呼吸性神经元主要分布在孤束核、疑核和后疑核。孤束核和后疑核的呼吸性神经元轴突在闩部交叉至对侧,在脊髓腹外侧部下行,其末梢到达呼吸肌运动神经元。疑核的呼吸性神经元轴突由第九、十对颅神经传出,支配辅助呼吸肌。中枢吸气性活动可能产生于孤束核的吸气性神经元。平静呼吸时,吸气性神经元的放电活动被吸气切断机制周期性地切断,形成吸气和呼气活动的节律交替。I_β神经元中有一部分可能与吸气切断机制有关。中枢吸气性活动、肺牵张感受器传入活动、呼吸调整中枢活动以及脑干网状结构等其他神经结构的活动在吸气切断机制的神经元中进行整合,对中枢吸气性活动进行控制。关于中枢吸气性活动的起源和呼气相中吸气性神经元保持静止状态等问题,目前仍不清楚。     

在体神经元胞外记录用于大脑皮层可塑性研究

神经元网络可塑性是大脑学习和记忆功能的基础,可塑性的变化也是某些脑功能疾病的成因。研究大脑皮层可塑性不仅可以为认识可塑性机制提供基本方法,也可对自然衰老过程和神经退行性疾病的病理过程进行观测,进而可以为评价抗衰老药物和治疗神经退行性疾病提供新方法。本文基于经典的大鼠胡须配对模型建立了一套实验方案,通过在体细胞外记录实验的数据分析,比较修剪胡须后相同时间内神经元感受野不对称变化程度的差异,衡量不同生理条件下大鼠体感皮层神经元网络可塑性。本文以中年和青年大鼠体感皮层神经元网络可塑性比较为例,详细介绍了实验方法中的关键技术和操作,如皮层D2功能柱的定位和D2功能柱内不同层神经元的定位等,结果和我室以前相关研究证明了此实验方案的可行性。     

多巴胺D1受体参与新生鼠离体延髓脑片呼吸节律性放电的调节

本研究旨在探讨多巴胺D1受体在延髓离体脑片基本节律性呼吸放电调节中的作用。以改良的Kreb’s液（modified Kreb’s perfusion,MKS）恒温灌流Sprague—Dawley大鼠（0～3d）离体延髓脑片标本,稳定记录到与之相连的舌下神经根的呼吸节律性放电活动（respiratory rhythmical discharge activity,RRDA）后,第一组（n=5）先给予多巴胺D1受体特异性激动剂[cis-（&#177;）-1-（Aminomethyl）-3,4-dihydro-3-phenyl-1H-2-Benzopyran-5,6-Diolhy,drochlo—ride,A68930]灌流10min,用MKS洗脱后,再给予多巴胺D1受体特异性拈抗剂[R（＋）-7-Chloro-8-hydroxy-3-methyl—1—pheny1-2,3,4,5-tetrahydro-1H-3-benzazepine hydrochloride,SCH-23390]灌流10min;第二组（n=5）先给予A68930持续灌流10min后再给予A68930＋SCH-23390持续灌流10min;观察各时间点舌下神经根RRDA的变化。结果显示,给予A68930灌流后呼吸周期（respiratory cycle,RC）和呼气时程（expiratory time,TE）显著缩短,放电积分幅度（integral amplitude,IA）增加,吸气时程（inspiratory time,TI）无明显变化;给予SCH-23390后RC、TE显著延长、TI显著缩短、IA减小,而且A68930的作用可以被SCH．23390部分逆转。这些观察结果提示多巴胺D1受体参与了哺乳动物基本呼吸频率和幅度的调节。     

神经元集群自持续放电活动的层次网络仿真模型与分析方法

神经元集群的自持续放电活动是大脑内广泛存在的现象,其被证实在大脑的工作记忆与目标导向等行为中有重要体现。作者以非线性的整合发放(integrate-and-firing,IF)神经元模型为网络节点,构建了具有小世界特征的层次网络仿真模型,以研究自持续活动中神经元发放的一些特性。在合适的模型参数下,层次网络能产生自持续放电活动,其整体发放频率在撤掉外部刺激之后的20 s内比较稳定,而层次内部发放频率的高低与层次顺序无关。整体发放频率关于突触连接数量与短路径密度都呈现出先正关系增长再达到饱和的趋势,同时,规模越大的神经元网络的整体发放频率对短路径密度更为敏感。研究结果对揭示大脑神经元功能性核团之间的相互作用机制具有重要意义。     

受损背根节神经元自发放电节律的整数倍模式及其动力学变化

本文记录了大鼠损伤背根节神经元的自发放电活动。采用背根节慢性压迫动物模型,记录慢性压迫手术后３－１０ｄ背根节的自发放电。在记录的１５６根纤维中,观察到１７根（占１１Ａ％）出现的动作电位峰峰间期以某一基础间期的整数倍模式出现的整数倍时间节律形式,其回归映射图为晶格状点阵结构,并且该时间形式受细胞膜上钠,钾通道的调控。     

组胺H1和H2受体在新生大鼠离体延髓脑片呼吸节律性放电调节中的作用

本研究探讨组胺H1和H2受体在新生大鼠基本节律性呼吸的发生和调节中的作用.以改良的Kreb's液恒温灌流新生Sprague-Dawley大鼠离体延髓脑片标本,稳定记录与之相连舌下神经根的呼吸节律性放电活动(respiratory-related rhythmical discharge activity, RRDA).实验分为5组:第1、2、3组分别单独给予组胺(histamine, HA)、 H1受体特异阻断剂pyrilamine和H2受体特异阻断剂cimetidine;第4组分别先后给予HA和HA pyrilamine;第5组分别先后给予HA和HA cimetidine,观察舌下神经根RRDA的变化.结果显示,单独给予HA后呼吸周期(respiratory cycle, RC)及呼气时程(expiratory time, TE)明显缩短,而吸气时程(inspiratory time, TI)及放电积分幅度(integral amplitude, IA)无明显变化;给予pyrilamine后RC、 TE明显延长,TI、 IA也无明显变化,且HA的作用可以被pyrilamine逆转;给予cimetidine后RC、 TE、 TI、 IA均无明显变化,且HA的作用不能被cimetidine逆转.结果提示,H1受体参与哺乳动物基本呼吸节律的产生和调节,H2受体对哺乳动物基本节律性呼吸的调控无明显影响.