外周输入依赖的嗅球颗粒细胞的突触结构可塑性

活动依赖的突触结构可塑性是学习和记忆的基础.哺乳动物,尤其是啮齿类动物,具有高度发达的嗅觉系统和惊人的气味学习和记忆能力.本研究以CNGA2敲除而导致外周输入缺失的小鼠为模型,研究嗅球内活动依赖的突触结构可塑性.利用特异性的突触前和突触后标记物,发现外周输入缺失减少了突触标记蛋白突触素(synaptophysin)和抑制性突触标记蛋白桥蛋白(gephyrin)在嗅球外网状层和颗粒细胞层中的表达;兴奋性突触标记蛋白囊泡谷氨酸转运蛋白1(VGluT1)的表达水平只在外网状层中有显著下降,而在颗粒细胞层中没有明显变化.进一步通过活体质粒电转标记嗅球颗粒细胞后发现,CNGA2敲除小鼠颗粒细胞上位于外网状层中的远端树突棘密度显著减小,而位于颗粒细胞层中的近端树突棘密度没有明显变化.这些结果表明颗粒细胞上的树-树突触具有对外周活动依赖的结构可塑性,而轴-树突触则无.     

哺乳动物嗅球的神经网络

嗅球(olfactory bulb,OB)是哺乳动物嗅觉感知的第一级中转站,但是OB不只是对嗅觉信息作简单的传递,嗅觉信息受OB内神经环路的动态调节,并转变为时空特异的神经活动信息后才传递给下一级嗅皮层。由于OB可以处理来自于不同气味受体的将近1 000个不同通道的信息输入,也接受了大量的离心输入,同时,还表达了多种激素的受体,因此,OB提供了一个研究神经网络在功能和发育上极为特异的理想模型。现综述了哺乳动物OB的细胞构筑、局部神经微环路、嗅球到不同嗅皮层的向心输入、嗅球接收来自于嗅皮层和脑干调制类的离心输入以及各条神经环路可能的功能和对气味感知的影响。     

哺乳动物主要嗅觉系统和犁鼻系统信息识别的编码模式

哺乳动物具有两套嗅觉系统, 即主要嗅觉系统和犁鼻系统。前者对环境中的大多数挥发性化学物质进行识别, 后者对同种个体释放的信息素进行识别。本文从嗅觉感受器、嗅球、嗅球以上脑区三个水平综述了这两种嗅觉系统对化学信息识别的编码模式。犁鼻器用较窄的调谐识别信息素成分, 不同于嗅上皮用分类性合并受体的方式识别气味; 副嗅球以接受相同受体输入的肾丝球所在区域为单位整合信息, 而主嗅球通过对肾丝球模块的特异性合并编码信息; 在犁鼻系统, 信息素的信号更多地作用于下丘脑区域, 引起特定的行为和神经内分泌反应。而在主要嗅觉系统, 嗅皮层可能采用时间模式编码神经元群, 对气味的最终感受与脑的不同区域有关。犁鼻系统较主要嗅觉系统的编码简单, 可能与其执行的功能较少有关。     

一个仿真突触超微结构的三阶神经网络模型

神经系统内突触类型的多样性是与其机能的复杂性密切相关的.考虑到这一特性.本文用一个三阶神经网络模型仿真突触超微结构中的复合型连续性突触结构.作出了该模型的理论推导和分析.对由40个单元组成的网络系统作了计算机仿真、所得结果表明其存储容量可达680个图样.对其吸引盆也进行了仿真分析,对新模型与传统的Hebb学习律下的Hopfield模型进行了对比仿真.发现新模型具有比后者快得多的演化速率.     

嗅球对嗅觉信息的处理

哺乳动物的嗅觉系统拥有惊人的能力,它可以识别和分辨成千上万种分子结构各异的气味分子。这种识别能力是由基因决定的。近年来,分子生物学和神经生理学的研究使得我们对嗅觉识别的分子基础和嗅觉系统神经连接的认识有了质的飞跃。气味分子的识别是由一千多种气味受体完成的,鼻腔中的嗅觉感觉神经元表达这些气味受体基因。每个感觉神经元只表达一种气味受体基因。表达同种气味受体的感觉神经元投射到嗅球表面的一个或几个嗅小球中,从而在嗅球中形成一个精确的二维连接图谱。了解嗅球对气味信息的加工和处理方式是我们研究嗅觉系统信号编码的一个重要环节。文章概述并总结了有关嗅球信号处理的最新研究成果。     

鱼类嗅觉系统和性信息素受体的研究进展

鱼类嗅觉系统包括外部嗅觉器官、嗅神经和嗅球三个部分.嗅觉器官也称为嗅囊,由嗅上皮和髓质组成.气味物质的化学信息主要由嗅上皮上随机分布的嗅觉感受神经元感知,通过嗅神经将嗅觉信息传递到嗅球,嗅球在空间上有不同的功能分区,嗅觉信息经过嗅球各分区整合后分别传入端脑,发挥其生理功能.性信息素在鱼类生殖过程中的作用是通过嗅觉系统来完成的,其中嗅觉感受神经元上的性信息素受体起着重要作用.鱼类性信息素受体的研究主要从两个方面入手,一是从低浓度特异的性信息素引起嗅觉器官电生理反应或行为反应入手,寻找特异的性信息素受体;二是参照哺乳动物嗅觉受体的研究结果,从嗅觉受体基因遗传保守性入手,研究鱼类性信息素受体的结构与功能.     

嗅球僧帽细胞具有编码气味空间信息的能力

刺激源的方位是刺激的重要特性之一.行为学的研究发现,动物能够利用气味到达左右鼻腔的时间差和强度差信息对气味方位进行感知,但作为嗅觉系统第一神经中枢的嗅球,是否具有利用两侧鼻间差信息对气味方位进行编码的能力一直受到质疑.为探讨该问题,在本研究中通过比较嗅球中84个僧帽细胞对同侧气味刺激、对侧气味刺激以及对侧气味刺激略先于同侧气味刺激时的反应,发现有29个僧帽细胞可被同侧气味所兴奋,其中18个虽然对对侧气味刺激不反应,但对侧气味的存在却能显著降低其对同侧气味刺激的反应.另外,50个僧帽细胞在只给予同侧或对侧气味刺激时不反应,但其中11个在对侧刺激略先于同侧刺激的方式给出气味时,表现出明显的兴奋性反应.我们的研究结果一方面提示僧帽细胞具有编码气味到达两个鼻腔的时间差,或气味源位置信息的能力;另一方面也表明对侧刺激不仅能对同侧嗅球僧帽细胞产生抑制效应,还可能存在目前还不明确的机制而产生兴奋效应.     

大鼠初级传入纤维与脊髓背角神经元间的动作电序列的突触传递

外周感觉神经元通过动作电位序列对信号进行编码,这些动作电位序列经过突触传递最终到达脑部。但是各种脉冲序列如何通过神经元之间的化学突触进行传递依然是一个悬而未决的问题。研究了初级传入A6纤维与背角神经元之间各种动作电位序列的突触传递过程。用于刺激的规则,周期、随机脉冲序列由短簇脉冲或单个脉冲构成。定义“事件”(event)为峰峰问期(intefspike interval)小于或等于规定阈值的最长动作电位串,然后从脉冲序列中提取事件间间期(interevent interval,IEI)。用时间,IEI图与回归映射的方法分析IEI序列,结果表明在突触后输出脉冲序列中可以检测到突触前脉冲序列的主要时间结构特征,特别是在短簇脉冲作为刺激单位时。通过计算输入与输出脉冲序列的互信息,发现短簇脉冲可以更可靠地跨突触传递由输入序列携带的神经信息。这些结果表明外周输入脉冲序列的主要时间结构特征可以跨突触传递,在突触传递神经信息的过程中短簇脉冲更为有效。这一研究在从突触传递角度探索神经信息编码方面迈出了一步。     

棕色田鼠脑和行为不同发育阶段副嗅球和主嗅球的细胞活动

本文运用免疫组化显示Fos蛋白的方法首次研究了棕色田鼠脑和行为不同发育阶段副嗅球和主嗅球的细胞活动。当不同年龄阶段的幼鼠同时暴露于自己家庭的熟悉底物和另一家庭的陌生底物时 ,嗅闻和呆在自己熟悉底物上的时间较多 ,直到产后 15d、 2 0d和 2 5d时 ,幼鼠探究不同底物的行为显示出显著性差异。脑的大小随着日龄增加而增加 ,但从产后 1到 15d ,脑重、脑宽和嗅球大小随着日龄增加特别显著。当不同日龄幼鼠暴露于陌生底物或者暴露于自己的熟悉底物时 ,从产后 5到 15日龄 ,主嗅球僧帽细胞层、颗粒细胞层、副嗅球僧帽细胞层和颗粒细胞层Fos免疫阳性细胞随着日龄明显增加 ,但直到 15和 30日龄时 ,和对照组相比 ,陌生底物可引起幼鼠主嗅球Fos免疫阳性细胞明显增加 ,从 2 0日龄起 ,陌生底物可引起副嗅球Fos免疫阳性细胞明显增加。主嗅球颗粒细胞层Fos免疫阳性细胞随着日龄的增加从边缘到中心逐渐出现 ,而副嗅球Fos免疫阳性细胞随着日龄的增加从顶部到底部逐渐出现。以上结果说明产后第 1d到 15d左右可能是棕色田鼠脑结构发育的重要阶段 ,而从此以后棕色田鼠主嗅球和副嗅球就具有区别熟悉气味和陌生气味的能力 ,表明棕色田鼠行为、脑发育和细胞活动间有紧密关系     

嗅觉器官能辨别气味与特异受体蛋白的存在有关

哺乳动物的嗅觉系统能够察觉出空气中浓度低到一万亿分(1×10~(-12))之几的气味刺激。人类能在万种不同气味中辨别出某种化合物。一种气味被脑所察觉通过气味的识别和神经的作用两个过程。最初的气味信号传导发生在嗅觉神经上皮,而感觉信息的作用发生在嗅球和皮层高级中枢。     

中缝核5-羟色胺能神经投射对嗅球调制效应的研究进展

中缝核5-羟色胺能神经元通过其广泛的神经投射影响大脑多方面的功能,包括抑郁和焦虑、睡眠-觉醒周期、奖赏、决策中的耐心以及性别取向等.背侧中缝核和中央中缝核的5-羟色胺能神经元对嗅球有密集的神经投射,从而调控嗅觉信息的初步表征和编码.近年来,随着电生理、光学成像及光遗传技术的应用,关于中缝核5-羟色胺能神经元对嗅球的调制作用研究不断出现,大量离体和在体实验证据表明中缝核5-羟色胺能神经元对嗅球及嗅觉相关行为有广泛的调制.本文从嗅球不同神经元类型角度,就中缝核5-羟色胺能神经投射对嗅球的调控作用及其神经机制研究进展进行了总结.     

近存储饱和状态下联想学习记忆的神经网络模型

本文提出了神经网络在近饱和状态下的一种联想学习记忆模型.讨论了该模型的主要特性,对由100个神经元、记忆10个随机图样组成的网络系统给出并分析了计算机模拟结果,讨论了该模型的学习律与传统的Hebb学习律的区别,研究了网络在学习记忆和联想新态时初始噪声Pi和联想噪声Pa对新态恢复行为的影响,总结了在近饱和状态下该模型所具有的优势.     

雄性根田鼠的同胞竞争及其对同性个体的气味识别

采用两两互作实验并以尿标记来确定共居至成年的2雄性根田鼠同胞在行为竞争上的差异,之后在行为选择箱中分别观察它们对来自熟悉和陌生同性个体的新鲜尿气味的行为反应,以确定气味识别差异。结果表明：①雄性根田鼠两两互作时,尿标记的多少可以作为判断其社会等级的标准;②从属鼠对熟悉气味存在明显偏好,其对熟悉气味的访问时间、接近频次和自我修饰频次都显著高于陌生气味;③优势鼠则优先访问陌生气味,其对陌生气味的访问时间、嗅舔频次、嗅舔时间、自我修饰及反标记均显著高于熟悉气味;④对于陌生气味,优势鼠和从属鼠之间存在明显不同的行为反应模式。本实验结果提示,雄性根田鼠对同性尿气味识别的差异以及对陌生气味的行为反应,可能暗含着其领域防卫的信息。     

时间结构信息在人类知觉中的作用及其脑机制

外界信息包含了丰富的时间结构,提取这些时间结构信息对于人类适应动态变化的环境具有重要的意义。然而,纵观认知科学领域,目前尚缺乏对这一问题的系统探讨。本文总结了时间结构信息的类型及特性,综述了视觉和听觉过程中,不同类型的时间结构信息广泛参与并调节认知活动的行为证据,及产生这些现象的神经基础。据此,本文提出对时间结构信息的提取和利用是人类认知的基本特点。来自不同通道、源于不同规律的时间结构信息不但可以通过调制神经振荡及诱发预期编码等机制在大脑中得到表达,还可以在此基础上有效调节知觉、注意甚至无意识信息加工等过程。同时,不同的时间结构信息也可能通过各自特异性的加工机制对认知产生影响。上述观点为理解大脑如何利用多样性的时间结构信息优化动态信息处理提供了理论基础,也激发研究者对这些现象背后的脑机制展开更加深入的探索。     

培养海马神经元网络学习模型的构建

对于培养的神经元网络而言,学习是外界刺激与网络响应之间联系建立和调控的过程.为构建合适的神经元网络学习模型,采用闭环低频(1 Hz)成对电极的电刺激模拟认知任务,在多通道微电极阵列系统中对培养的海马神经元网络进行训练,使其发生网络层次上的学习行为.经过训练后,神经元网络在刺激后20～80ms内的早期突触后响应明显增加,响应/刺激比(在闭环训练中,电极上任一阶段连续10次刺激的早期突触后响应的个数/10)增大,响应时延减小,并且响应具有选择性,即表明,神经元网络与外界刺激之间已建立可调控的联系,该可调控联系是通过网络的响应来表现的,建立神经元网络与外界刺激之间的可调控联系即网络层次的学习.     

一个基于能量的突触可塑性模型

研究表明能量可能是支配神经元活动的统一原则,编码能力与能量成本的比率最大化被认为是突触连接在选择性压力下改变的关键原则之一,这意味着突触范围内能量的变化与突触可塑性有关。为此,建立一个基于能量的突触可塑性模型。当突触后膜瞬时功率高于功率阈值时突触权重增加,反之突触权重下降。该模型可再现脉冲频率依赖可塑性以及脉冲时间依赖可塑性这两种主要的突触可塑性实验结果,并且和其他公认的突触可塑性模型相比具有优越性。结果表明,能量是影响突触可塑性的关键因素,对进一步理解突触连接的选择性和神经网络动力学特征提供了一个新思路。     

昆虫气味认知的嗅觉神经结构及分子机制

大多数昆虫主要通过气味认知感知外界环境的变化,维持生命活动。探究昆虫气味认知的嗅觉系统神经结构及分子机制,对于完善气味认知神经生物学理论及利用其原理进行仿生学研究等有重要的科学意义。近年,关于昆虫气味认知科学研究有了很大的进展。本文从昆虫神经生物学的视角详细综述了近年关于昆虫气味认知的嗅觉神经结构、分子机制及气味信号的神经传导途径等方面的基本理论及最新研究成果。综述结果显示:昆虫对气味的认知是通过嗅觉神经系统的触角感器、触角叶(AL)、蕈形体(MB)等脑内多层信号处理神经结构来实现的。当外界气味分子进入触角感器内后,由感器内特定的气味识别蛋白(OBP)将气味分子运载到达嗅觉感受神经元(ORN)树突膜上的受体位点,气味分子与表达特定气味的受体(OR)结合产生电信号,并以动作电位的形式通过ORN的轴突传到脑内的触角叶。在触角叶经过嗅觉纤维球对气味信息选择性加工处理,再由投射神经元(PNs)将初步的识别和分类的气味信息传到蕈形体和外侧角(LH)等神经中枢,实现对气味的识别和认知。虽然,近年昆虫气味认知神经生物学的研究有了很大的进步,但是,我们认为目前的研究成果还不能完全阐明昆虫气味认知的神经机制,还有很多问题,例如,触角叶上众多的嗅觉纤维球是如何对嗅觉感受神经元传入的气味信息进行编码处理的?等有待进一步深入研究。为了搞清这些疑难问题,我们认为需要提高现有的实验技术水平,加强电生理学和分子神经生物学相结合的实验研究,从分子水平探究气味认知的神经机制可能是未来研究的热点。     

尿液气味刺激后棕色田鼠主嗅球和副嗅球的神经元活动

本实验利用免疫组织化学方法,以FOS阳性反应作为神经元活动的标志,研究了棕色田鼠在受到同性和异性尿液刺激后主嗅球和副嗅球的神经元活动,表明两大嗅觉系统均有感知社会性化学信号的功能.通过比较棕色田鼠在同性和异性尿液刺激后副嗅球和主嗅球的嗅小球细胞层(GL)、僧帽细胞层(MIT)、颗粒细胞层(GRL)中FOS阳性神经元数量,发现不同性别尿液刺激后棕色田鼠的副嗅球各细胞层FOS阳性神经元数量比对照组明显增加;棕色田鼠受到异性尿液刺激后其副嗅球各细胞层的FOS阳性神经元数量均多于同性尿液刺激组.不同性别尿液刺激后棕色田鼠的主嗅球各细胞层FOS阳性神经元数量相较于对照组有增加或增加显著;异性尿液刺激组主嗅球各细胞层的FOS阳性神经元数量均多于同性尿液刺激组.说明棕色田鼠的副嗅球和主嗅球均参与了通过尿液介导的性别个体的识别.     

基于交叉抚育的雄性根田鼠对异性同胞尿气味的识别

通过交叉抚育建立室内繁殖种群,在断奶后（80日龄）分别取这些供体的新鲜尿气味作刺激物,在行为观察箱中观察和记录雄性根田鼠对雌鼠气味的行为反应,以研究根田鼠同胞识别的化学通讯机制。结果表明：①在不同的发育时期（2～70日龄）,雄性同巢同胞与异巢同胞的体重没有显著差异。②雄性根田鼠对雌性同巢非同胞气味的接近潜伏期显著长于对异巢非同胞的接近潜伏期（P〈0．05）,其对异巢非同胞气味的访问时间和嗅舔时间都显著高于同巢非同胞气味（P〈0．05）。③雄性根田鼠对雌性异巢同胞和异巢非同胞气味的不存在明显偏好。其对两者的接近潜伏期、访问频次、访问时间、嗅舔频次和嗅舔时间等行为响应均无显著差异（P〈0．05）。这些结果表明,80日龄时,雄性根田鼠能够识别熟悉和陌生的无亲属关系雌性尿气味,但不能区分陌生的亲属和非亲属,因此,其异性同胞识别的机制为共生熟悉模式。     

刺猬嗅球冬眠期与非冬眠期c-Fos 表达的差异

利用免疫组化法检测c-Fos 蛋白在不同季节刺猬嗅球各层次的表达差异,探讨c-Fos、嗅觉、冬眠三者的关系。分别选取春、夏、秋、冬四个季节各6 只野生健康刺猬,固定剥离嗅球,石蜡切片,免疫组化显色,拍片,载入Motic Images Advanced 3.2 软件,测量四个季节刺猬嗅球各层次c-Fos 的表达率,将结果载入GraphPadPrism4 软件分析,Microsoft Excel 作图。结果表明:c-Fos 蛋白在成年刺猬嗅球各层均有不同程度的表达,阴性对照不着色,且表现出明显的季节性差异。1)与秋季相比,冬眠期c-Fos 蛋白在刺猬嗅球各层次的表达均有极显著的降低(P <0.01);2)与夏季相比,冬眠期c-Fos 蛋白在外网丛层、僧帽细胞层、颗粒细胞层的表达有极显著降低(P < 0. 01),在嗅神经层、嗅小球层、室管膜层的表达也有显著降低(P < 0. 05);3)与冬眠期相比,春季c-Fos 蛋白在嗅小球层、僧帽细胞层、颗粒细胞层的表达有极显著的升高(P <0. 01),在嗅神经层、外网丛层、室管膜层的表达却没有显著变化(P ﹥ 0.05);4)嗅神经层c-Fos 的表达在春季显著低于秋季,夏季与秋季没有显著差异。颗粒细胞层夏季显著低于秋季(P < 0.05)。秋季c-Fos 在其余各层次的表达与春季、夏季相比都有极显著的提高(P <0.01)。结论:秋季刺猬嗅球神经元最活跃,嗅觉最灵敏,冬眠期刺猬嗅球活跃性大大降低,嗅觉系统最迟钝。c-Fos 在刺猬嗅球中的强表达表明其在嗅觉信息的传递中可能发挥一定作用,c-Fos 表达率的显著季节性差异揭示了刺猬嗅球的活跃性与其冬眠具有一定的相关性。