为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究

2017-10-08 40页 doc 71KB 43阅读

用户头像

is_219945

暂无简介

举报
猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究 中国科学技术大学 博士学位论 文 猫视觉皮层神经元发放序列结构 及老化对其影响研究 作者姓名: 周保琢 学科专业: 生物医学工程 导师姓名: 周逸峰研究员 完成时间: 二。一二年四月。 ~’ ?’ :::; 一 一 . : : ,中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所...
猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究
猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究 中国科学技术大学 博士学位论 文 猫视觉皮层神经元发放序列结构 及老化对其影响研究 作者姓名: 周保琢 学科专业: 生物医学工程 导师姓名: 周逸峰研究员 完成时间: 二。一二年四月。 ~’ ?’ :::; 一 一 . : : ,中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 胡出 签字日期: 作者签名: 凌三::: 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 酗开 口保密??年 导师签名: 作者签名:蔓茎如 签字日期: 签字日期: 望二::二』 翟。:::』摘要 摘 要 在脑片膜片钳试验中,当给定恒定的电流刺激时,大部分的神经元发放是相 当有规律的。但是,在动物在体实验中,给定恒定的刺激,比如研究视觉系统中 给定特定的视觉刺激,神经元的发放往往是不规则的。发放序列呈现的相当复杂 的结构,表现为?.的发放序列的变异性和一次的发放序列结构 的不规则。现有的研究认为导致这些发放序列变异和不规则的原因是神经系统中 的噪声,现有研究发现噪声存在于感觉、知觉、中枢和运动多个神经子系统中. 同时,噪声还存在于神经系统的多个层面,包括分子热运动噪声、离子通道噪声、 突触上的生物化学噪声和细胞噪声等等,很多噪声是神经网络的固有特性,从而 这些噪声引起的变异性在神经网络是不可避免的。从进化的角度来说,神经网络 一直处在这种噪声的环境中,这些噪声可能会导致神经系统的结构和功能发生变 化,进而影响了神经元的发放序列的结构。因此,发放序列的结构从某种程度 上 来说就反映了系统的一些生理信息,那么研究神经元发放序列结构对于我们揭示 神经系统特定的生理信息具有至关重要的作用。 视觉系统对人类和其他哺乳类动物感知外部世界具有重要的意义和作用,外 部世界的大部分信息通过视觉系统实现接受、处理和感知。同时视觉信息处理系 统中,存在多个不同层次的处理阶段,研究每个处理层次神经元发放序列结构对 于我们理解神经系统具有重要意思。但是现有研究发放序列变异性的指标法诺因 子计算相对简单,忽略了神经发放序列的时间结构和高阶统计量,本文使用发放 率向量来表征系统神经元发放信息,然后引入变异系数、、向量欧式距离 以及熵等高阶统计量来分析神经元发放序列的结构。 大量研究表明,随着年龄的增长,人和高等动物的视觉系统会表现出许多功 能方面的衰退现象,同时其视皮层神经元的相关反应特性会发生一系列的变化, 这种神经元层次的改变被认为是视觉系统功能衰退的潜在原因和内在机制。本文 综合使用了上述的多个统计量来研究正常老化过程对猫视皮层细胞的发放序列 结构和高阶统计量的变化的影响,同时探索了发放序列的高阶统计量样本熵是否 反应了一定的生理信息,具体实验研究如下: 实验一:本实验以猫为试验模型,采用在体单细胞胞外的方法对比记 录了老年猫及青年猫、和区的细胞反应。我们使用了发放率向摘要 量的方法表征神经元在多次中一次的发放信息,同时我们采用视觉皮层细 胞的一个重要的特性指标一反应不规则性,来衡量其在衰老过程中的变化情况, 其中反应不规则性采用发放率向量的两种变异系数和的平均值来表示。 结果发现老化过程中区细胞没有显著的变化,而其他两个区域的反应不规则 性都受到了衰老不同程度的影响,表现为反应不规则性的增大,这样的结果说明 猫在正常老化过程中,神经元反应特性的改变给大脑内神经网络信息处理过程带 来了损伤,本研究为其他神经体系在动物衰老过程中的变化研究提供了一定的参 考。 实验二:现有假说认为老化过程中较高级的视觉皮层受损更严重,但这种 假说还有需要试验验证。本实验采用在体单细胞胞外记录的方法对比记录了老年 猫及青年猫、、和区的细胞反应。我们使用了上述发放率 向量的方法表征信息,采用视觉皮层细胞的两个重要的特性指标一反应变异 性和 平均信噪比,来衡量其在衰老过程中的变化情况,其中反应变异性采用发放率向 量的欧式距离来表示。结果发现老化过程中区细胞没有显著的变化,而其他 三个区域的反应变异性和信噪比都受到了衰老不同程度的影响,表现为反应发放 率向量的欧式距离的增大和平均信噪比减小,上述结果为“老化 过程中视觉通路上的高级皮层受影响更为严重”的假说提供了新的生理学依据, 并为研究其他动物神经体系在衰老过程中的变化提供参考。 实验三:现有神经编码理论认为大脑通过神经元动作电位的时间间隔 ,序列来对外部世界的信息实现编码,其时序结构相当复 杂,但是这种丰富的时空编码信息所蕴含的生理信息并没有得到很好的揭示,本 实验采用样本熵工具来量化和分析序列中可能包含的生理信息。采用胞外多 通道微电极犹他阵列记录实验动物猫初级视皮层神经元对特定正弦光栅的反 应动作电位序列,在不同时间尺度下采用抖动方法生成与原始动作电位序列在编 码层次上等价的序列,然后利用样本熵工具分析这些序列包含的生理信 息,将样本熵同神经元发放率进行关联分析,同时还研究了猫初级视觉皮层细胞 的方位选择性与样本熵之间的关系,并且分析了不同时间尺度对样本熵的影 响。 从上述分析得到样本熵同发放率之间成反相关关系,并且在所有时间尺度上 都显 著;在猫初级视觉皮层个细胞的方位选择性与样本熵之间的关系中发现个细 胞具有显著反相关关系;时间尺度的选择对样本熵的影响较小,具有弱反相 关关 系。基于样本熵的神经元的序列分析结果表明样本熵在一定程度上反映了细 胞的生理信息,为研究其他神经体系动作电位包含的生理信息提供了参考。 摘要 关键词:猫;老化;视觉通路;噪声;反应不规则性;反应变异性;变异系数; 信息处理;欧氏距离;平均信噪比;样本熵;时间间隔序列;抖动;时间尺度; 不应期;生理信息 摘要 , . , , . . ? . , ,, . , , . , ,. ’ ., , , . % . . ..., . ,%, ??. ,. ., : .. ,. ? . , . 撕: . ., ., . ? . . ,.? ,, 。. .. , . . .... 嘶 . . , . , 试 士‘ , . 也.试劬出 零铲 工 .? 咖 咖饥. 缸 , 锄 。 ? , 也僦 . 缸 埘 ?主 缸 脓 ? 】 幽姗 酉, 刚职 ;; ;; ; ; 嘶: ;;盼 ?? ; ;埘 ; ?;; 目 录 目 录 第章综述一视觉系统老化研究综述. .综述前言~ .视觉系统老化研究的意义??.. .老年动物大脑中神经元结构和数量的变化?.. ..神经元结构变化.. ..神经元数量变化.. .衰老对视觉系统中神经元特性的影晌.. ..老化导致外侧膝状体区神经元特性变化??一 ..老化导致初级视皮层神经元特性变化.. ..老化导致次级视皮层神经元特性变化.. ..老化导致中颞视区神经元特性变化?.. .衰老导致的视觉功能衰退的表现.衰老导致的视觉功能衰退的潜在原因和 神经机制? .视觉系统老化研究综述小结? 第章综述二神经系统变异性和噪声综述?.. .神经系统中变异性研究的意义 .神经系统中变异性研究综述? .神经系统中噪声研究综述..感党系统中神经元变异性和噪声..中枢系统中 神经元变异性和噪声...电噪声导致变异性?~一 ...突触噪声导致变异性? ..运动系统中神经元变异性的噪声.神经系统如何控制噪声和变异性.变异 性和噪声小结第章 实验一老化对猫视觉区域细胞发放序列结构不规则性的 影响.?.?..引言 .实验材料与方法. ..实验动物. ..动物准备与电生理记录 ..视觉刺激. ..数据采集与预处理.数据分析方法?. ..从动作电位序列产生发放率矩阵...从发放率向量计算变异系数 ..从发放率向量计算变异系数??一 .试验结果 .讨论与结论第章实验二基于发放率向量方法研究老化对猫视觉区域细胞 发放序列结构的影响. .引言.试验材料和方法 ..试验动物 ..动物准备与电生理记录 ..视觉刺激 ..数据采集与预处理.数据分析方法? ..从动作电位序列产生发放率向量..欧氏距离和相关统计量 ..平均信噪比的计算.试验结果 ..老化过程中视觉通路神经元反应变异性的变化..老化过程中视觉通路神 经元平均信噪比的变化.讨论与结论??。??. 第章 实验三基于样本熵的神经元发放序列结构分析.引言??. .试验材料和方法 ..动物准备. ..动物准备与电生理记录. ..视觉刺激. ..数据采集与预处理??. .数据分析方法? ..基于 算法产生数据集? ..时间尺度计算方法??. ..样本熵的算法分析??. .试验结果 ..最佳时间尺度?的计算. ..样本熵的计算?. .讨论与结论第章总结和展望?.??.一参考文献..?...?....?....?..??.?. 致谢??.??.??.. 附录??.....?......?....?.. 附录..........? 附录...?..??...?.?.......?...... 目录 ?第章综述一视觉系统老化研究综述 第章综述一视觉系统老化研究综述 .综述前言 在年前,关于老化对于视觉系统影响的研究还相对较少。从年 成立了国家老化研究所后,人们才逐步开始研究老化过程对视觉系统的影响, 而 不是只关注老年眼科疾病如黄斑变性,青光眼,白内障等。到上个世纪年 代后期,陆续有一些研究开始报道年龄变化对视觉功能和视觉任务表现的影 响,以及老化导致的视觉系统变化的内在机制。特别是在年在华盛顿召开 的,由美国国家研究理事会视觉研究委员会赞助的,主为“老化和人类视觉功 能的研讨会的召开,标志了这个研究领域的初步形成。在接下来的年中有 大量的这方面的研究报道,;,;, ;,, ,,;,&, ; ;,,,; ;, ‘ ,&, 。 众所周之,大脑皮层在人类和动物认知及其运动功能中具有重要意义和不可 替代的作用,引起神经科学家们的注意。特别是近年来大脑皮层与年龄相关的变 化更是得到了广泛的关注。已有大量的研究显示,对于成年人类及动物而言,随 着年龄的增长其大脑皮层会出现一些功能衰退,其功能的衰退往往同时伴随这大 脑皮层形态学结构的显著性变化。但是现有的研究显示这些功能衰退发生的 位点 在大脑皮层的起始位置并不一致,同时其衰退速度和机制也不尽一致。视觉系统 作为人和一些哺乳动物的重要感觉系统,在所有感觉系统中,其获取信息量最多, 结构和功能也最为复杂,同样也受到衰老过程的影响,表现为视锐度、波长敏感 性、方位、方向检测、对比敏感度、双眼视觉以及与分析视觉速度有关的视觉敏 感性等视觉能力的减弱。这种视觉系统的损伤会给老年人的生活带来很大的不 便。视觉系统衰老研究的实际应用价值及在视觉研究中的理论意义吸引了大量的 科学家对其进行了不懈的研究。 现有大量研究显示,老年人在需要进行方位和方向辨别学习任务中表现较 差,对视觉刺激的分析和响应速度显著下降,反应的延迟时间比青年人增大。同 时,老年人的视野减小,视觉注意、视觉找寻以及视觉空间定位等能力比青年人 也有不同程度的降低。老年性视觉功能的下降并非完全由眼的屈光介质及视网膜 年龄依赖性老化引起,不少方面可能取决于视觉中枢的结构和视皮层神经元 功能 的变化所引起的,特别是初级视皮层以及后续皮层的老化。初级视皮层是视觉信第章综述一视觉系统老化研究综述 息整合的初级中枢,这里的神经元对各种视觉刺激参数如刺激方位及运动方向 具有较高的敏感性,研究年龄对初级视皮层神经元功能的影响将是解决视觉衰老 问题的关键所在。 .视觉系统老化研究的重要意义 当前,世界各国特别是发达国家的老年人口数量正在快速增长。而在我国这 种现象尤为突出。年,中国第六次人口普查统计数据显示:全国岁及以 上总人口数量已达.亿,约占总人口.%,这例数据已超过国际规定 的%红线,从全国总量来说,中国已经进入老年化社会,同时,在个省份 中有个身份%这个比例超过%。研究显示,在中国岁以上的人口数 字每年还在以万的速度高速增长冯海芳, 。老龄化已经成为当前重大 的社会问题,特别是老化相关的眼科疾病、病变和视觉损伤相对过去带来了更多 的社会健康挑战。因此一个现实性的需要是充分掌握在总人口中各种老化引起的 视觉损伤人口的比例、这些视觉损伤的内在机制,以及这些机制是如何对老年人 日常的视觉任务产生影响。进而促使神经科学家可以提出和发展一些干预手段来 延缓和改善老化引起的视觉功能降低,从而提高老年人的生活质量。同时年龄增 长引起的视觉功能变化的相关研究工作为老年常见眼科疾病的发生的提供了相 关的生物标志物或者危险因素的一些信息。从而有助于相关眼科疾病的预防和诊 断工作。另外老年人的视觉系统功能衰退如:方位、方向、空间分辨等视觉功 能退化严重影响了老年人的日常生活和工作以及社会的稳定发展,比如,对日 常生活用品的识别错误会导致生活的不方便,而在马路上对交通信号信息的判断 错误和对车辆速度和方位的判断错误可能导致生命安全和威胁。因此对视觉系统 衰老机理的研究具有重要的现实意义,得到的较多的神经科学家的重视,其成果 对于改善老年的日常生活和工作质量,防止人类早衰具有重要的社会意义。同时, 视觉系统作为高等哺乳动物最重要的感觉系统,%以上的外界信息通过视觉系 统所接受、处理、感知,因而研究视觉系统老化的神经机制同时也具有较高的科 学价值,,,。 正常衰老过程会伴随许多视觉功能的衰退。有些老年性视觉功能衰退如视锐 度可能主要由眼的光学系统部分年龄依赖性老化引起,该部分的老化可以通过折 光因素的矫正得到优化,有些老年视觉功能下降如方位、方向检测、对比敏感度、 双眼视觉以及与分析视觉速度有关的视觉敏感性在折光因素矫正后仍然不能消 除功能衰退,因此就很难从眼的屈光因素和视网膜变化得到合理的解释,这些结 果提示我们视觉功能的下降可能有其内在的神经基础,应该归因于视网膜和视觉 第章综述一视觉系统老化研究综述 中枢的神经改变,,,,,。这些神经变化包括多 个层次和多个方面的变化。首先是年龄相关的皮层结构的变化,包括:大脑皮层 的皱缩、神经元丢失、树突丢失、突触变化等。其次是年龄相关的化学神经递质 的改变,包括:谷氨酸、等。再次是年龄相关的功能变化,包括:系统水 平、细胞水平、突触水平以及可塑性的变化等。所以研究视觉通路中不同层 次的 皮层的神经改变可以加深对老化引起视觉功能损伤机制的认识,从而加强了对病 理性老化条件下视觉系统损伤的理解,为认识许多老化引起的视觉功能缺陷提供 了一定的医学参考,对人类延缓老化引起的认知、感觉和运动的衰退,改善其生 活质量有重要的现实意思和较高的应用价值。 .老年动物大脑中神经元结构和数量的变化 在老化的过程中,大脑结构最为明显的变化就是大脑的皱缩,大量的 研究证实这一变化具有显著性;&;.,;,,,,除了这种年龄相关的皱 缩以外,进一步研究还发现老年大脑重量会随着年龄的增加而减小, ,,&,,同时室腔体积随年龄在增加而变大 ,,, 。和的研究发现老年大脑? 岁重量比青年大脑要小个百分点,。但是这种年龄相 ., 关的皱缩在大脑各区域表现往往并不一致,同时还存在性别的差异; .,; .,。但是另外一部分研究并不支持性别差异 .,。 这一观点 ..神经元结构变化 除了大脑的皱缩这样相对宏观的结构变化,在老年大脑中神经元相对于青年 大脑也有发生部分结构上的变化,主要包括神经元中的突触和树突结构变化。 突触是神经元的重要组成部分,是神经元之间进行信息传递的重要结构与功 能组件。承担着链接各神经元组成大脑中的神经网络,并且突触通过不同类型的 神经递质传递来实现神经元之间的信息通讯。因此老化引起突触改变得到了神经 科学家的重视,对老年痴呆病人的突触丢失研究中发现突触对认知功能有重要影 响 .,;&,同时进一步的研究揭示了动物和 人随着年龄变化突触会发生一定程度的丢失&,;, ,&,;,;,并且这一结果具有一 定的显著性。在人和灵长类动物的神经系统中也具有类似的结果,研究发现一些第章综述一视觉系统老化研究综述 脑区的神经元之间形成的突触总数和抑制性突触数随年龄增长都会发生部分减 少,,?,;,,., ,,除了突触的丢失,进一步的研究发现,突触的结构也在老化过程 中呈现显著性变化,对小型哺乳动物大鼠的研究发现,老化导致部分皮层区域中 神经元细胞的线粒体,突触小泡和突触前区域相对青年大鼠变小,同时液泡数也 随年龄增长变少,。其他研究还发现突触后树突棘中线粒体 数量也发生减少。这些结果提示我们是否因为这些胞内结构的丢失导致了老 年大 脑内突触的功能的衰退。对高等灵长类动物猕猴的研究发现,老化也会导致 猕猴 神经元轴突结构发生衰退,,&,。相关行为猴的延时反 应研究也说明了老化会导致神经系统功能衰退,上述研 究结果表明在老化过程中皮层回路可能会发生异常变化,从而导致人或者动 物的 相关认知功能的损伤。 在神经网络内部结构中,树突是其重要组成部分,在神经网络的信息传递过 ;, 程中具有重要作用, 。有研究发现大脑皮层内树突随年 龄会发生丢失,,, ,后续也有一些研 究发现老化导致的树突丢失主要包括变短和树突分支减少,;. &, ;, ;., ,当然树突 的丢失在整个脑区并不均匀,差别也较大,部分皮层甚至没有发现丢失现象 ,&, ;,,&, ;,。突触与树突轴链接的部分叫树突棘,树突棘和突 触通过兴奋性神经递质实现相互联系饵..; ,。除了树突丢失,研究同时还发现了老化相关的树突棘的丢失,有 时比树突丢失还要严重, ;.&, ;., ,,。这些研究说明老化会导致树突结构发生改变,从而导致 其功能的损伤,影响了信息的传递有效性和传输效率。 ..神经元数量变化 除了神经元结构的变化,研究同样发现老化会导致神经元丢失 。当然不同区域神经元的丢失率往往并不一致,。进一步研究 发现皮层内老化相关的大神经元比小神经元丢失更加严重; ,,&,;,,,当然部分 研究也观察到小神经元丢失,。随着试验技术手段的发展和 神经科学家对这一问题研究的深入,陆续有一些新的发现颠覆了上述传统观 点, 部分研究还发现在某些脑区神经元密度反而升高,;,, 第章综述一视觉系统老化研究综述 ,,&。后续一些研究发现先前研究结论可能是因为没有 考虑青年动物大脑萎缩比老年动物大,从而导致数据预处理的算法不当导致 的, 也有可能是在统计的时候没有排除病人的影响所致,,,, ;, 。随着新计数技术的发展,一些 研究也支持年龄与神经元的丢失并没有显著地相关性这一观点,; , ;, ;,,,&, ; 。既然老化并未导致 ,,& ; 神经元发生丢失,那么是什么变化导致大脑萎缩,进而影响大脑功能的呢部 分 .,;, 研究认为白质丢失导致了大脑萎缩 ;,,& 总之,目前没有确定的证据支持年龄相关的神经元显著丢失。那么大脑皮层 中到底是什么改变导致了老年动物认知功能发生了显著性的变化呢是值得 进 一步研究的重要课题。 ,衰老对视觉系统中神经元特性的影响 为了深入研究衰老的深层次机制,本实验室和相关同类实验室做了大量的研 究。结果显示,在老化的过程中,外侧膝状体区的神经元特性的变化相对 较小,而初级视皮层和次级视皮层及中颞区区神经元特性受影响较 为明显,,&,; .,;,,, ,&,; .,。这些研究的结果显示、、 区的方位方向选择性以及区的速度分辨能力在皮层老化的过程中有显著性 的下降,同时这些区域的神经元自发放水平增加以及信噪比降低,而相关研 究的 结果显示这种老化后神经元能力的衰退是因为能抑制系统衰退所致 ,,&,;,,,,, 。 ..老化导致外侧膝状体区神经元特性变化 同时 在年就报道老化对区神经元特性的影响相对较小, 研究组的研究也证明了上述观点,,,&, ;,,,。细致的研究发现大细胞的反应峰 值、对比敏感度、信噪比及对比度增益较小细胞在这些特性上具有显著性的提高。 但是两种细胞都没有发现在老化过程中均没有发现显著性差异。第章综述一视觉系统老化研究综述 ..老化导致初级视皮层神经元特性变化 研究发现,初级视皮层神经元功能在老化的过程中会发生衰退 ,,&,;,,,,,; ., ,,; .,;,,,,&, 。等在研究中发现老年猕猴较青年猕猴在初级视皮层神经元的 方位方向选择性上有显著性降低见图.。同时他们还发现老化会导致神经元 自发放和诱发发放的水平有显著性增加,神经元的信噪比有显著性降低,这个降 低可能是由于细胞自发放与诱发发放随着老化增加的比例差距较大导致的,而这 又有可能是因为神经系统中抑制系统的功能衰退所导致的。研究者在其他哺乳类 动物如:猫、大鼠研究中也发现了类似的结果,进一步证实老化会导致初级视 皮层神经元功能的衰退&,; .,;.,, ,,&,。另外等在猕猴中的研究发现,区第层神经元 反应延时在老化过程中并没有发生显著性的变化,而其他层反应延时均 有显著性增加,部分层之间差异较显著,他们认为这可能是老化过程中的各视皮 层不平衡增加所导致的..,,.,,。 ..老化导致次级视皮层神经元特性变化 研究发现,次级视皮层神经元反应特性同样也受到了老化的影响化., ,,,;,,,,&,。等在 年报道了老年猕猴次级视皮层神经元功能较青年猕猴有显著性衰退,他们 发现老年猴区的神经元方位和方向选择性也有显著降低见图.,强选择 性细胞的总数也显著性的减少以及信息处理能力的降低。在区还发现 青年猴中方位选择性细胞总数和方向选择性细胞总数的比值远大于,但是在老 年猴中这个比值发生了逆转小于,但是在初级视皮层并没有发现这种显现,这 提示我们次级视皮层受到了老化的影响更为严重,这种影响并非完全来自初级视 皮层的映射导致的。这个结果证明了衰老的影响会在皮层中逐步积累的假设。 等在年对于不同层细胞反应延时在青年猴和老年猴的对比研究见图 .也从另一角度支持衰老会在视觉通路中逐渐积累这一假说。第章综述一视觉系统老化研究综述 ? ? 一协啦氛讷母工~ ,倦?氛 ?掣竹啦蔫一乱魄篷搿叫 ~、 、 ? 蛳厂 、专 ?了一 ;. ? / 、’,~ .彭龟蚺彭工一?”卜止‰霄口 产”勘讳?” 卜山乩蔼脚融 土 : 泌? / ,、 ’ 一 ; 乏 ? ? 一藏出一 图.图,分别是青年猕猴区神经元对运动光条和正弦光栅的调谐反应;图,是 老年猕猴区神经元对运动光条以及正弦光栅的调谐反应。方位选择性对比中 青年猕猴。 为.,.;老年猕猴,为.,.。方向选择性对比中青年猕猴, 为.,.;老年猕猴,为.,.具体见,, , 。 酾? 丁铂 童 董 ; 一?~点一鬈正 墨鞣 卜‘ 叫?土? 《酶, ;撼??如 。 厂’、 \ ? 。? ; / 。 . / . . .? 触 ’ 芝 嚣 ’ 签 署 ; 罡 嚣蚺和善一磊?一,。量 卜‘ ?土? 张;”眦韩搀 日 舶?/ ‖一。 / 嚣; .。 德擞。/ 乏/ 嗍? 一,?要墨?一?? 粤霎蠢一霉山 。 《 溆姆 赫&融 卜 气 皇 :臼 ?叫幔 ? . 矗黝洳鲋 .蹦妇魄 丫 / 图?图、是老年猕猴次级视皮层区神经元对正弦光栅的调谐反应,其方位选择 性 ,值为.,.,方向选择性,值为.,.。图、、、是青 年猕猴次级视皮层区神经元对正弦光栅的调谐反应,其方位选择性,,,值 为.. ?,.,.,方向选择性,,,值为.,.,.,.具体见,&, ,,, 。第章综述一视觉系统老化研究综述 镟 丰 .: 《 图.图为青年猕猴次级视皮层区神经元次平均给光反应延时长度为,图 为老年猕猴次级视皮层区神经元次平均给光反应延时长度为具体见 ., ,,,, ..老化导致中颞视区神经元特性变化 对更高级皮层的研究显示,部分研究支持中颞视区 ,在衰老过程中也有较为显著性的损伤 .,; .,。与 等发现在老化的过程中,猕猴区强方向选择性细胞占比例数、方向选择 性、有显著性降低、反应的半波半高宽和细胞信噪比表现出显著性降低,自 发放 和诱发方发放显著性增加,同时他们还发现最优速度在衰老过程中也受到了 损 伤,区细胞速度检测阈值和调谐曲线波宽有显著性提高,同时最优速度的 细., 胞数、细胞速度选择性和对比敏感度显著性下降 .,; 第章综述一视觉系统老化研究综述 。等对青老猕猴区的神经元的变异性和信噪比研究进一步证实了 老化导致区神经元视觉功能的影响见图.。进一步的研究还发现老化对 初级视皮层到中颞视区通路带来了影响, 等使用双因素方差对比分析了 区和区的细胞的相关特性指标,发现对比敏感度和方位选择性在区 受影响更加严重 .,,由于区接受方向选择性细胞的投射, 说明了老化会对到视觉投射通路产生影响。 ?彤.国弼??乳协彤 僻一芷毋艮 .窘潜‰?弼?芝 下 图.青年猕猴和老年猕猴和区神经元变异性特性法诺因子的对比图,图 第章综述一视觉系统老化研究综述 .为青年猕猴和老年猕猴和区神经元变异性法诺因子的分布图,图为青 年猕猴和老年猕猴和区神经元变异性法诺因子均值对比图具体见 .. 过去的很多实验都证明了在、初级视皮层、次级视皮层和中颞视区由 于老化而产生的神经元特性的变化和视觉功能的下降,但是在其中某一个特性在 整个视觉系统中系统而全面的研究却相对较少。因此这个问题值得系统的研究。 .衰老导致的视觉功能衰退的表现 现有的大量试验测试以及心理物理学研究显示老年人较青年人在视觉功能 上有较为明显的衰退,具体表现为老年人的视锐度包括立体视锐度下降、视觉 信号对比敏感度降低、波长敏感程度降低、双眼视觉能力减弱、视觉刺激方位以 及运动方向辨别能力下降、信息分析和信号提取速度下降及脑电信号中的神经反 应同步性减弱等,&,;。 这些表现主要集中在如下几个方面: 较为容易检测到的与老化有关的衰退是老年人的视锐度包括立体视锐度, 而且这种功能减退往往并非特殊的眼科疾病所导致的,;.,;&,。而且现有的研究发现视锐度下降不完全 是由视网膜的形态改变和眼的光学因素变化多引起的,有可能是由视皮层细胞的 空间频率反应特性变化多导致的。 ., 老化引起的视觉空间对比敏感度的下降一直得到了研究和关注 ; ;,,,, ;,, .&。视力矫正和增加测试刺激的强度并不 能消除这种年龄相关的对比敏感度的下降,,,, ;, ,;,,,, .。研究组在年报道了他们利用缩瞳剂、佩戴特定眼镜 模拟老年人的视觉光学系统,测试结果显示,青年组的结果明显优于老年组。上 述研究表明:老化引起的神经特性的变化从而进一步影响了年龄相关的空间对比 敏感度,导致其下降。 研究组报道了在屏蔽了视觉光学系统影响后,暗适应后光敏感度老 年组比青年组降低了.个对数单元,,这 个结果提示了老化引起的光敏感度降低可能与视觉通路的衰老具有某种相关性。 有研究发现在对不同波长的敏感度对比试验中发现,老年组的长波敏感度和青年 组的差异并不具有显著性,而短波敏感度具有较为明显的差异第章综述一视觉系统老化研究综述 。进一步的研究发现,随着年 ;心 龄增长其波长敏感度会显著降低,同时其颜色的辨别能力以及对色觉的时间决定 能力均有显著性的下降.. .,;,,, ,,。这种波长敏感度随年龄增长而衰退可能是由于光感受 器丢失和结构变化引起的,也有可能是神经系统特性的变化所引起的。 双眼视觉能力也随年龄增长而衰退。对双眼综合能力测试的结果发现,老年 人的双眼整合能力较青年组有较为显著性的衰退,。对高频刺激的 对比试验后,发现在老年人的双眼综合和单眼阈值比较青年人都有显著性降低 &,;&。研究组对老年猴的 双眼细胞数量的测试发现其仅占总的细胞数.%,较幼年侯的双眼细胞数有显 著的下降,是否老化后双眼视觉能力的降低与视皮层细胞特性衰退有关需要更深 入的研究。 衰老对运动信息处理能力的影响是一个值得研究的重要问题,这包括两方面 的问题,一方面是时间敏感性和运动感知,另一方面是视觉信息加工速度变慢。 一些研究发现老年人的时间对比敏感度在高时间频率衰退程度比低时间频 率大,光学方面的衰老损伤不足以解释这个现象。 ; ,,&,;;丑&,。和 在年首次报到了老年视觉系统运动知觉能力的损伤是不可以由青 年和老年之间空间视觉或者认知差别来解释的。特别的,他们发现与青年人相比, 老年人更难分辨随机点动的方向。在许多运动任务中,老年人的感知和分辨阈值 与青年相比较高,提示老年人运动敏感度下降,运动方向和速度差异的分辨能力 受损。, ;,,,&,;, ,,;,;,, ,&,;,,而且有一些初步的证据也 表明,这些变化不是在成长过程出现的,而是在岁左右由衰老导致的。此外, 增加老年被试的注视时间可以使其达到和青年同样的表现水平, &;,,。 对视觉刺激的方位及方向辨别能力的下降是衰老带来的另一方面的影响。之 前对老年人的行为学试验显示,老年人在方位和方向辨别、运动检测的学习任务 中发生故障的概率大大升高,同时学习的速度也较青年人缓。曼 &,;,,,,;, 。与方位和方向辨别类似的老年人对方位对称的检测、辐射点定位及 或者辨别等能力也有显著的降低,,&,; ,;,,,。研究组和第章综述一视觉系统老化研究综述 研究组在运动检测方面的青老年对比试验中发现,老年人对运动敏感度要显 著低 于青年人,特别是视野中央区的运动敏感度降低的更为明显,但是年龄的增长对 静止刺激的辨别影响相对较、,;,,, ,。和上述心理物理学的试验结果类似的是在老年猴的行为学试验 .,;,,,。上 ,; 述行为学的试验结果和相关的对老年猴初级视皮层及中颞视区的电生理试验中 发现其运动方向及方位识别能力的衰退结果相吻合,, ,; .,;,,,,,。老年人 和青年人在运动方辨别能力方面的差别比感知敏感度方面更大。模型方面的研究 表明,老年人的视觉系统有更高的加法噪音和更宽的方向选择性调谐。这一结论 和后续电生理方面的研究结果相互吻合,老年猴上的结果表明,老年猕猴初级视 皮层内部加法噪音增加,而方向和方位选择性下降,而且可通过在细胞周围局部 施加及其激动剂提升其方向和方位选择性,有些细胞甚至可提升到青年猴 细胞的水平。这些都说明了老年人视觉系统抑制环路活动水平下降。 对老年人的心理物理学试验如运动物体碰撞试验的相关结果说明老年人对 视觉信号的分析和提取计算能力有明显的下降,,,; ,。这些研究结果与活动相关脑电的结果也相互吻 合,如在视觉诱发电位?及反应延迟吼随年龄增加具有显著的延长 ,,,& ;,,,,; &.,;,,,,,。相关的电生理试验 也有类似的结论和吻合之处,如等在研究中发现老年大鼠视皮层神经 元对运动光条反应的最优速度较青年鼠显著降低,,而 等发现老年猴的,区视皮层细胞对视觉刺激发应的潜伏期. 卜青年猴显著增长。这些试验说明随着年龄的增长,老年动物的反应灵敏 度降低,对信号的分析及提取速度下降以及反应延迟的增加。 一些心理物理的工作利用高对比度运动光栅研究老年人的周边抑制,也证明 老年人视皮层抑制系统活动水平确实下降。年轻人需要更长的时间去分辨高对比 度光栅的运动方向,而只需要较短的时间去分辨低对比度光栅的运动方向。这一 般认为是中心一周边空间抑制的作用,刺激边界超越其感受野后反应就会受到抑 制。老年人这一任务的结果与青年人相反,他们需要较短的时间去分辨高对比度 光栅的运动方向,而需要较长的时间去分辨低对比度光栅的运动方向,这可能是 抑制变弱的缘故。当老年人需要忽略背景里的干扰时,这种作用是不利的 ,。 另外,一些研究发现,老年人利用视觉运动感知三维世界和空间分布的能力第章综述一视觉系统老化研究综述 受损。例如,老年人利用运动提取自我运动信息的能力明显下降, ,&, 。 心理物理学试验、活动相关电位及正电子发射断层显像的试验研 究表明,老年人在视觉注意、视觉找寻及空间定位能力上对比青年人有较为明显 的降低,,,&,; .,。视野缺失某 方面来说应该会导致这些视觉功能的下降,但是排除了这一因素的研究同样发现 了老年人的这些视觉功能也同样具有显著性下降,暗示了老年人的高级视觉皮层 的部位缺陷可能是产生这些功能降低的因素,&,。在对 老年大鼠空间学习能力和空间注意能力的进一步研究后发现,老年大鼠的视觉注 意能力下降和基层皮质胆碱能系统的损伤具有相关性。这些结果都暗示了我们年 龄对视觉注意、视觉找寻及空间定位能力的影响可能是多层次和多路径的。 此外,其他的一些老化问题也是值得关注的,如一阶和二阶视知觉能力随衰 老的变化。与诸如一阶刺激,这种比较简单的刺激相比,老年人对诸如二阶刺 激 这种复杂刺激知觉阈值的提升更多,;&, ;,,,,;,。这两种刺激可 能通过独立的机制进行处理,而造成这种差异的原因是这种二阶刺激需要更大, 更复杂的神经环路同时参与,根本上说,是由于二阶刺激的计算负载增加了,此 外,对这种刺激,即使增加注视时间,行为也不会改善,,, 。 我们对衰老的研究基本上集中在衰老对视觉功能的损伤方面。同样有意义的 是在衰老过程中,视觉信息处理和视觉行为的什么方面得以保留以及大脑是怎样 做到这些的。这方面的研究可以让我们更好的理解中枢神经系统在衰老过程中所 做出的适应和可塑性变化是如何缓解衰老相关的结构和生理损伤的。 。衰老导致的视觉功能衰退的潜在原因和神经机制 目前关于老化对视觉通路的影响有了较为充分的研究,但是对其视觉功能衰 退的潜在神经机制研究相对较少。等报道了老年大鼠神经元视觉信息 分析提取速度较青年大鼠有显著性下降,并且认为这一现象可能与老化引起的神 经元数量减少和内部神经元的结构变化有关,。但是有研 究发现这种老化引起的神经元结构和数量的变化并不是普遍存在的,在各脑 区差 异性较大,并不具有普遍性,比如部分研究发现区的神经元结构和数量受影 响相对较小,,&;& ,。特别是 在用突触改变来解释老年动物中神经元部分特性因素变化时如:方向方位选 择 第章综述一视觉系统老化研究综述 性降低、自发放及诱发放减小和增大等遇到了一些问题,这就需要我们 从新的角度来研究其潜在神经机制。 进一步研究认为老年引起视皮层细胞方位,方向选择性等视觉功能损伤可能 与老年动物神经系统中能抑制系统衰退有关。研究组使用微电 泳技术在老年猕猴细胞施加一氨基丁酸及其型受体的激动剂,研 究发现老年猕猴视皮层神经元的方位方向选择性提高,信噪比增强,使老年 猕猴 视皮层神经元出现部分‘再年轻化’的特性,,,&, ,这一结果说明老化引起的视觉功能衰退可能与抑制系统作用的减 弱具有内在关联性。.和等在发现老年大鼠的运动皮层出现抑 制性突触的选择性衰退,而兴奋性突触未发生明显改变.,, ,;,,&.,,这一结果与的 受体特异性抑制剂 研究相吻合。等也报道了关于给猫施加 发现了猫视皮层细胞的方位选择性有显著性降低,, , 。和等的研究支持老年动物体内 细胞对反应比青年动物会有降低,同时受体激动剂的结合位 点和多数亚基的相对青年动物也会减少,,, ; .,。本实验室先前研究工作也发现在老年猫和老 年大鼠的初级视皮层上都存在免疫反应神经元数量对比于青年猫和和大 鼠显著减少的现象。上述研究都倾向于支持能抑制作用减弱导致视觉功 能下降,同时老化会引起能抑制系统作用减弱的潜在机制解释。 除了能抑制作用降低对老化视觉功能衰退可能有影响外,其他因素 也可能在此过程中起作用。能、胆碱能、多巴胺能、受 体的浓度、神经营养因子如等及去甲肾上腺素能的递质系统也可能在衰 老的过程中起作用,,,,;?, ;,,, &,;,, ,关于这些影响因素有待进一步研究。 .视觉系统老化研究综述小结 在动物衰老过程中,动物包括人的视觉系统从突触、细胞到系统多个层面 都会出现某种程度上的功能衰退,然而到目前为止,神经科学家对出现这种 老化 引起的功能衰退的相关内在机制仍然不是很清楚,有待进一步的研究。部分 衰退 可能与视觉系统中的光学子系统的衰退有关,另外一些视觉功能退化,如方 位方 向选择性、空间对比敏感度、信息处理速度、暗适应等可能是因为相关的视觉中第章综述一视觉系统老化研究综述 枢部分神经网络衰退所导致的。总之,视觉功能的衰退可能是由于多种因素和多 种机制综合作用的结果,有待进一步的深入研究。 第章综述二神经系统变异性和噪声综述 第章综述神经系统变异性和噪声综述 .神经系统中变异性研究的意义 如果想把细胞层面的反应特性和系统层面的行为认知相互结合在一起考虑 其联系,我们就需要精确的知道诱发刺激和两种细胞特性之间的关系:一个是神 经元对不同诱发刺激的反应,也就是各种指标的调谐曲线,另外一个方面就是神 经元对不同诱发刺激反应的变异性。老化对上述两种关系的影响使得老年动物包 括:人类在认知过程中发生错误概率上升。本实验室的研究人员和合作者已经对 老化导致的细胞调谐曲线的变化做了比较充分的研究,发现老化在某种程度上能 够导致细胞调谐曲线的下降和神经元功能的降低,,, ., 。但是老 ,;,,,,&,; 化对视觉大脑皮层细胞的反应变异性方面的研究还比较少见。 因此在体研究老 化对细胞反应变异性的影响就很有必要,我们知道对于外界信号进入神经系统来 说,神经系统通过神经元的动作电位来编码和传输信息,尽管对于整个神经系统 来说,它可以相对比较准确的编码、传输、存储和表达外界信息,但是在体单个 神经元的对诱发刺激的发放却是时刻变化的,由于神经元的变化,导致其后端的 神经元接收的输入也是变化的,是不完全的表达。传输到感觉神经元的相同一个 刺激输入在多次中是很难诱发出同样的反应输出,从还原论的角度来说, 神经系统的表现与信号在神经元之间传递的保真度密切相关。因此就需要我们能 够定量的记录和分析单个神经元的变异性,同时理解神经元变异性的本质意义和 揭示其产生原因对神经科学研究来说也是至关重要的。 .神经系统中变异性研究综述 对重复呈现一个刺激输入而产生输出的发放率变化是感觉系统皮层神经元 活动的重要特性之一,多次给予同一刺激输入,其神经元的反应很多时候是不一 ; 致的,,, ;,,, 。在部分视觉系统研究中,即使消除了眼动影响以后,神 经元反应变异性仍然很大。那么人们就是奇怪一个问题,如此大的变异,神经系 统如何去表达恒定的刺激输入信息呢部分学者将神经元反应变异性作为系统 的“噪声”,;,;; , , ;。但是这一变化根源还不是非常清楚&, 第章综述二神经系统变异性和噪声综述 ,一种解释是神经元发放产生机制加入了一种随机因素,在这种解释中,如 果多个神经元发放携带有相同的信息,每个神经元发放被干扰的时候其噪声的之 间相互独立,平均方法能够抵消掉一些噪声,也就是说单个神经元的噪声之间没 有相关性,因此神经网络在整合多个神经元输入的时候可以通过求均值的方法去 掉这些噪声,从而得到一个比较准确的输入信号,本方法作为神经系统如何控制 和克服噪声及变异性给出了一种合理解释。 有部分学者认为反应变异性可能是突触连接的一种性质。在脑片膜片钳试验 中,当给定恒定的电流刺激时,大部分的神经元发放是相当有规律的,多次给予 同一波形电流,神经元的输出发放序列相当精确,; ,,有时能够达到毫秒精确的同步。 等认为神经元反应变异性是一个固定发放的突触前神经元的突触后电流 变异性的反应,由于神经环路的不确定性导致了恒定的输入神经元发放的不确定 的时序和频率。和等认为神经元发放的不规律性可以理解为突触活动 的时间整合所致,那么,如果突触在信息传递中时间整合越长,神经元发放的潜 伏期就越长,其反应变异性就越大&, , ;&, ;,铋,。等在猕猴视觉皮层中研究了反 应变异性和视觉反应潜伏期之间的相关度,两者具有正相关关系,这一结果证实 了前述观点,,,,&,。 为了进一步研究和掌握变异性的机制,神经科学家以视觉系统为模型系统的 研究了视网膜神经节细胞&,;,,&, 和视皮层细胞墩&,的变异性,发现两者差别很大,神经节细胞发 放序列时序结构较为稳定,同时变异性也相对较小,而视皮层细胞的反应变异性 很大,发放序列相对很不稳定。等的研究进一步证实了这一个猜想,他们同 时记录了视网膜、和初级视皮层的细胞反应,他们将多次的发放率的 方差和均值的比值称为法诺因子 ,,作为计算神经元反应变异性 的统计指标,具体结果是视网膜中神经节细胞的反应变异性一般较小;外膝 体、初级视皮层第四层的细胞反应的变异性比视网膜中神经节细胞的反应变 异性 大见图.。他们的结果证实变异性在视觉通路上是逐级增加的,, &,。等的研究发现初级视皮层第四层神经元反应的变异性和 的值大小类,,&。等猜测初级视皮层神经元 反应变异性值如此小,可能是因为一些刺激输入强度较大所导致的,也有可 能外膝体和初级视皮层之间建立了很强的突触链接所引起的, 。但是,现有的其他研究发现大多数的值都在和之间。本实验室和 合作者的相关研究总体来说支持变异性随皮层等级增加这个观点?..第章 综述二神经系统变异性和噪声综述 ,,,;,,,,&,。这符合信息 处理理论中的一些观点,因此人们认为变异性对神经计算具有重要的作用, 需要 就其性质和产生机制展开进一步研究。 豢童塞 耋 芝 觏壤 薹 墨 刺陡堵翻愀 ? 婚 ? 露邑器茁碧差 图.在一个视觉通路上各处理阶段神经?反应变异性的变化见,,,关于神经元反应变异性的产生原因和内在机制总体来说可能比较复杂。部分 研究认为反应变异性来自神经元网络中相关性的作用导致的。研究组报道 了神经元发放率大小和自发放水平的线性相关性,他们认为神经元变异性和神经 元发放率大小存在一定的相关性,同时他们认为其根源是在于神经元处在自发活 动的状态下突触输入导致的膜电位的变化所致,,,,& ,。有研究认为变异性可能还有两个主要来源:一是为动作电位阈值以 及膜电位波动时程的变化导致了神经元反应变异性,,, 。另一个推测是因为神经元的膜性质变化导致了神经元反应变异性。 第章综述神经系统变异性和噪声综述 等利用这个推测建立了相应的数学处理模型实现了多次给予同一刺激输入 产生不同的输出模式.., 。虽然变异性以及其部分产 生机制得到了一些研究,但是变异性程度产生的机制仍然不是特别的清晰,有待 进一步研究。 一般来说,神经系统中的神经元反应变异性的大小会对信息在系统中传输和 处理的可靠性和分辨率产生重要影响,有时候反应变异性会限制感觉系统检测和 分辨信息阈值的下琨,,,;,,, 。现有的看法认为神经元反应变异性在视觉通路上随信息处理等级升高而增 加,然而目前人们对其内在机制并不是很清楚。和等研究认为视 网膜,,, 神 、,, 经元反应变异性相对来说都比较低。这些结果可能提示我们大部分神经元反应变 异性可能就发生在到的通路上或者是这一区域的局部环路上。另有研究 者也观察到皮层神经元反应变异性的值较大,,,; ,,, ;,,, ,部分研究者认 为这可能和眼动或者动物处于麻醉状态有关,这两个因素对神经元反应变异性的 影响机制目前还需要进一步研究来确认。 总之,神经系统的变异性的来源比较复杂,需要根据情况分别加以研究,同 时需要从分子、细胞、系统等多个层面研究其内在机制,以及可能的影响因素。 后面我们重点会从噪声的角度分析变异性的来源。 。神经系统中噪声研究综述 变异性是人类和动物行为的基本特征,在生物体神经系统的知觉过程、感觉 过程和运动过程中都
/
本文档为【猫视觉皮层神经元发放序列结构及老化对其影响研究】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。

历史搜索

    清空历史搜索