神经元簇的层次性联合编码假设

提出一个新的神经信息编码假设,称为神经元簇的层次性联合编码假设。它不同于祖母细胞假设和Hebb经典细胞群编码模型,但融合了它们的优点,因而可以解释更多的神经生物学实验。     

神经元信息编码的代谢消耗：动作电位与能量效率

人脑是一个高效、可靠的信息处理系统,它主导着个体的认知、情感、意识与行为,这些功能的实现需要不断地消耗代谢能量.大脑的能量需求主要被神经元信息编码所消耗,相应的亚细胞过程包括产生和传导动作电位、维持静息电位以及突触传递.神经元编码信息的主要载体是动作电位序列,它的产生与传导贡献了大脑的大部分代谢消耗.动作电位的能量消耗受离子通道的生物物理特性控制.生物物理特性的细胞特异性和空间异质性使得动作电位对代谢能量的利用效率呈现高度可变性,它为理解神经元代谢消耗的规律、起因与结果带来了挑战.本文首先介绍参与神经元编码的亚细胞过程及它们在大脑和小脑皮层中的代谢消耗,然后详细梳理近年来关于动作电位代谢消耗的研究成果,重点讨论影响其能量效率的生物物理因素和放电形状特性,并归纳总结放电消耗的特点,最后对未来神经元编码的代谢消耗研究进行展望.     

成体新生神经元参与位置信息的编码和空间记忆

近年来成体神经干细胞的研究最终引导人们发现,成熟哺乳动物大脑中一些区域存在着可以终生分裂增生的神经元,打破了人们一直以来持有的成熟的神经元不能分裂,成熟哺乳动物脑细胞数量只会减少不会增加的观念。尽管人们已经观察到新生神经元逐渐整合到神经回路的过程,终生分裂的这些特殊神经元在功能上跟固有的神经元是否存在着差异的问题却始终没有得到明确的解答。有人猜测成年动物海马齿状回中的新生神经元可能参与“位置”有关的信息编码,最近Dupret等的实验结果为这种观点提供了强有力的证据。     

普氏蹄蝠下丘谐波主频神经元的时程选择性

为探讨下丘(Inferior colliculus,IC)回声定位信号主频范围内的神经元的时程选择性,在自由声场刺激条件下,我们在4 只普氏蹄蝠的IC 采用不同时程的声刺激,研究了神经元的时程选择性。通过在体细胞外记录,共获得56 个声敏感下丘神经元,其记录深度、最佳频率和最小阈值的范围分别为1547 - 3967 (2878. 9 ±629.1)μm,20 -68 (49.0 ± 11. 1)kHz 和36.5 -95. 5 (59. 8 ±13. 0)dB SPL。根据所记录到的下丘神经元对不同时程的声刺激的反应,即对不同时程的选择性(Duration selectivity),将其分为6 种类型:短通型(Short-pass,SP,n = 11/56)、带通型(Band-pass,BP,n = 1/56)、长通型(Long-pass,LP,n = 5 /56)、反带通型(Band-reject,BR,n = 3 /56)、多峰型(Multi-peak,MP,n =6 /56)和全通型(All-pass,AP,n =30 /56)或非时程选择型(Nonduration-selective,NDS)。通过比较普氏蹄蝠下丘谐波主频内和主频外神经元的时程选择性,我们发现处于回声定位信号主频范围内神经元(n =32)比主频外神经元(n = 24)具有更短的最佳时程和更高的时程选择性。结果提示,在普氏蹄蝠回声定位过程中谐波主频内神经元较谐波主频外神经元发挥了更为重要的作用。     

碱中毒对小鼠皮质GABA能神经元特性和编码能力的影响

目的:研究碱中毒对小鼠皮质GABA能神经元内在特性和编码能力的影响,探讨碱中毒引起大脑功能障碍的机制。方法:选择17-22天FVB-Tg小鼠行脑片体外培养,实验对象分为碱中毒组和对照组。DIC光学显微镜下选择皮层II-III层GABA神经元,运用Axo Patch 200 B放大器全细胞模式,记录并分析神经元内在特性(包括阈电位、绝对不应期)的改变;记录与去极化脉冲相对应的峰值,分析GABA能神经元的编码能力。结果:1.阈电位峰值在对照组分别是24.58±0.68,25.44±0.82,27.02±0.78,27.55±0.74和28.66±0.79毫伏,碱中毒组分别是28.32±0.78,30.10±0.91,32.22±0.80,32.88±0.76和33.54±0.74毫伏,碱中毒组阈电位升高;绝对不应期在对照组和碱中毒组分别是4.15±0.06和5.09±0.08毫秒,碱中毒绝对不应期延长。2.两组在相同去极化刺激下诱发的连续峰值波形发生明显改变,碱中毒组产生峰值的能力下降。结论:1、碱中毒使皮质GABA能神经元动阈电位升高和绝对不应期延长;2、碱中毒降低皮质GABA能神经元编码峰值能力。     

中颞视区神经元信息整合功能更易于受到麻醉影响

视皮层的功能是将局部感受野获得的信息进行整合 ,从而获得对外部世界的整体认知。但是包括初级视皮层 (Ｖ1)在内及其之前的各阶段 ,由于神经元的感受野非常小 ,在获取运动信息时相当于通过一个个小孔来观察物体的实际运动 ,这样就出现了一个小孔问题 (ａｐｅｒｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍ) ,即对于一个运动的边缘来说 ,通过放在该边缘上的一个小孔能直接检测出来的唯一运动 ,就是垂直于该边缘朝向的运动。小孔问题使得对实际运动信息的获取存在偏差 ,这样Ｖ1区以外的视皮层就需要对运动信息进行整合 ,来校正这种偏差。中颞视区 (ｍｉｄｄｌｅｔ…     

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。     

不同时程弱前掩蔽声对小鼠下丘神经元声反应的选择性抑制

自由声场条件下,以强度为神经元最小阈值阈上5dB,时程分别为40、60、80和100ms的纯音作为前掩蔽声,观察和记录了不同时程弱前掩蔽声对小鼠（Musmusculus Km）下丘神经元发放和声强处理的影响。实验记录到154个神经元,对其中的104个神经元做了不同时程掩蔽声影响的测试。结果发现：掩蔽声对神经元放电率的抑制作用在时间上表现为前抑制（41％）、后抑制（9％）和全抑制（50％）三种类型。改变掩蔽声时程时,大部分神经元（72％）的抑制类型不发生改变,但少部分神经元（28％）随掩蔽声时程的增加,大量的后抑制类型转变为前抑制或全抑制类型。此外,超过一半的神经元（58．06％）其强度．放电率函数曲线随掩蔽声时程的改变而发生转变,主要表现为单调型向饱和型转变及饱和型向非单调型转变,这种转变并不随掩蔽声时程增加表现出规律性的变化。结果表明,前掩蔽作用于下丘神经元声反应的时间域和强度域时具有不均衡性,推测不同时程弱前掩蔽声激活的抑制性输入能分化性调制下丘神经元声反应特性。     

初级视皮层神经元响应反应与撤反应的朝向选择性

朝向选择性是初级视皮层(17区或V1)神经元的基本性质,在图形感知中起着关键作用.同时这些神经元对于持续时间大于100 ms的视觉刺激具有清晰的响应反应(Onset responses)和撤反应(Offset responses).以往的研究只关注响应反应的朝向选择性,而忽视了对撤反应的朝向选择性研究.我们比较了响应与撤反应的朝向调谐性质,大多数细胞的撤反应与响应反应基本上具有相似的最优朝向,而撤反应的朝向调谐宽度有窄于响应反应的趋势,撤反应的最优延迟普遍滞后于响应反应的最优延迟.撤反应的朝向选择性略强于响应反应和具有显著长的反应延迟提示,皮层内的反馈输入可能在形成撤反应的朝向选择性中起着作用.本研究揭示了撤反应的朝向选择性在刺激朝向的连续表征和主体在形状知觉的后期对朝向的精细区分中起着作用.     

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。     

选择性易损神经元易损机制研究进展

神经元选择性易损性在多种神经系统疾病的发病过程中发挥重要作用。研究证明,神经元选择性易损的形成与多种因素有关,包括钙超载、兴奋性氨基酸毒性以及过氧化损伤等外源性因素,而且与神经元自身特点也有密切关系,主要包括不同区域神经元蛋白表达的差异、线粒体结构功能的不同以及胶质细胞特性的区域差异等。研究神经元易损性产生的机制和规律,对于研究和防治神经退行性疾病等有重要意义。     

多巴胺释放对纹状体神经元信息编码的影响

运动功能是在神经系统直接或间接调控下协调完成的,基底神经节对于运动功能的执行起至关重要作用,其中纹状体在基底神经节处于中心地位,接受多巴胺能神经元的投射,通过直接、间接通路参与运动的调控。多巴胺能神经元中多巴胺的释放以活性区介导的快速突触传递的方式进行。活性区由Bassoon、RIM和ELKS三种支架蛋白组成,其中RIM蛋白对多巴胺释放起调节作用。纹状体不同类型的神经元电活动随着多巴胺释放含量的变化出现适应性变化。当纹状体去多巴胺支配时,中等多棘神经元和快放电中间神经元放电频率显著增加;当纹状体多巴胺耗竭时,大胆碱能中间神经元出现pause-rebound编码模式。本文对多巴胺运动控制的分子机制展开讨论,并对其在运动疲劳中枢机制中的研究进行综述,为纹状体神经元靶向干预提供理论依据和新思路。     

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。     

大脑皮层神经元膜蛋白构象改变的ESR研究

采用马来酰亚胺标记完整的大脑皮层细胞,观察由低氧引起的ESR谱线的变化及脑细胞脂质过氧化程度,低氧引起细胞过氧化物生成增加,膜蛋白构象改变．金属硫蛋白(10^-5mol/L)能明显抑制过氧化反应,具有一定的抗氧化作用．并对实验的分子机理进行了简要的讨论．     

Agrotis segetum雄蛾触角叶神经元对性信息素时间编码的机制分析

应用压力注射,在Agrotis segetum雄蛾触角叶（AL）中33个对性信息素有反应的MGC神经元上探计了对性信息素反应模式的形成机制,压力注射100mmol/L GABA进入AL神经网引起神经元一个慢的超极化电位,并有一个长时程的放电抑制相,与用性信息素刺激诱导的神经元分应很相似,但GABA并不影响神经元对性信息素刺激的去极化反应,低Cl^-溶液可减弱AL神经元对性信息素刺激的超极化反应,甚至使超极化相逆转为兴奋反应,抑制相消失。压力注射Bicuculline使神经元放电频率增加。压力注射Bicuculline的同时给予性信息素刺激,可使性信息素刺激所致的神经元放电增加进一步加强;Bicuculline可使性信息素刺激引起的神经元超极化幅度变小,放电抑制时间变短,甚至其抑制相完全被逆转为正常放电,无超极化反应和抑制相存在,结果表明,AL神经元对性信息系反应的超极化相与GABA受体有关。     

听觉信息的编码

听觉系统能感受的声音干变万化,其参数变异范围极大,如频率上下限可相差1000倍,强度按能量计算上下限可相差10000倍。那么听觉系统是如何对如此巨量的听觉信息进行编码的呢？我们知道,声波经过耳蜗毛细胞的换能作用转变为神经冲动,成为传递声音的信息。但神经冲动是以全或无形式传布的,单纤维的神经冲动其振幅和与波形都是相对固定的,因此神经冲动的振幅波形不能反映声音的特性,只能依据神经冲动的节律、冲动的时间间隔以及发放神经冲动的纤维在耳蜗基底膜上的起源部位来传递不同形式的声音信息。我们把神经冲动在听神经纤维上传输…     

猫纹状皮层神经元整合野的形态和范围

用正弦调制的移动光栅测量了１２０个猫纹状皮层神经元在长度和宽度方向上的空间整合特性。结果表明：（１）大多数细胞的传统感受野具有长宽相近的结构,然而它整合野多数是宽而短或者窄而长的长条形。（２）整合野大小为传统感受野的２－７倍,平均为３．７倍。简单细胞与复杂细胞整合野的大小没有显著差别。（３）随着感受野的视网膜偏心度的增加,整合野大小有逐渐增大的趋势。（４）感受野靠近视网膜垂直中线的细胞,其整合野可     

《自然-遗传学》：多样性有助神经元更好处理信息

美国卡内基o梅隆大学的研究者们近日首次发现神经元多样性在大脑的综合机能中起着关键作用,在神经元处理复杂刺激和编码信息中也有着非常重要的地位。这一结果在线发表于《自然-神经科学》。