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噪声对大鼠受损背根节神经元兴奋性的作用

王玉英  
【摘要】:噪声(noise)作为声音理解时,是一种不需要的,干扰了信号声音的因素,受到人们习惯的排斥;在电学和信息理论中,信号以外所有随机的,不可预测的扰动便是噪声。它包含了大量的频率成分,容易淹没需要的信号成分。因此人们一直将噪声看作是系统中的干扰成分和起负面影响的消极因素,尽力消除,以保持信号的正常传导。但上世纪八十年代初R.Benzi首先提出的随机共振概念却为噪声作了肯定的诠释。他认为在非线性动力学系统中,一定强度的噪声不仅不破坏而且还可以促进系统对输入弱周期信号的检测;当给予系统低幅值的阈下信号时,在噪声的参予下,系统对此阈下信号的检测能力增强,其间有一最优化强度的噪声可使系统的信噪比(signal-noise-ratio, SNR)最大,这就是随机共振现象(stochastic resonance, SR)。SR的提出使人们重新认识了噪声。紧接着,科学家在物理和化学等研究领域证实了SR的存在。神经系统作为非线性系统,具有大量的背景噪声,噪声对它的行为有何影响一直是人们关注和不解之处。进入九十年代,Longtin、Bulsara和Moss三位物理学家首先提出神经元的兴奋活动与SR有关的创造性设想,为神经科学与非线性科学的交叉研究开辟了新的领域。近十年来,SR在神 第四军医大学博士学位论文 经系统的研究突飞猛进,研究资料相当多。现在已在神经系统和模 型神经元上从不同水平证实存在有多种形式的SR,包括周期SR、 非周期SR、内噪声引起的SR和无输入信号的SR(autonomous SR, ASR)。但迄今为止,研究的主要进展还限于肯定SR现象的存在, 对于噪声对神经元的基本性质引起了哪些改变,SR在神经元以及实 际系统的行为活动中究竟发挥了什么作用,仍然了解甚少。我们认 为要深入认识SR在神经系统中的作用及其机理,首先要在细胞水平 揭示噪声如何改变神经元的基本活动以及对神经元兴奋性的影响。 目前仅有模型神经元进行过细胞水平的探索。而理论模型毕竟抽象 的多,难以真实反映实际神经元的复杂活动。本文的目的正是通过 对实际神经元进行观察,了解噪声对神经元膜电位变化的影响,进 而分析SR对神经元兴奋性的作用,以便深入阐明噪声如何促进神经 元检测弱信号的作用机理。 本室长期以来对背根节(Dorsal root ganglia, DRo)神经元进行 研究,积累了有关DRG神经元兴奋性变化的资料。在过去的研究中, 发现DRG神经元具有周期和簇状放电,并且表现出阐下膜电位振荡 (sub而eshold membrane potenti己oseillation,sMPo)。尤其受损的 DRG神经元具有SMPO的比例较高,而且常常表现出超兴奋性。 DRG神经元是初级感觉神经元,它们处于一个既有内噪声,又有外 噪声的环境中。无外加刺激时具有SMPO的细胞可发生ASR。因此 DRG神经元具有发生ASR的可能性。我们设想受损的DRG神经元 可能通ASR影响神经元的兴奋性,造成超兴奋。 基于上述背景,以急性离散的受损DRG神经元为实验对象,采 用穿孔膜片钳方法,在电流钳记录下,研究外加的计算机产生的随 机噪声对单个DRG神经元膜电位和兴奋性的作用。为诱导出SMPO 和放电,给予方波和斜波去极化刺激,方波可以观察到在某一个膜 电位水平的细胞的兴奋性;而斜波则可以观察在连续变化的膜电位 水平下的细胞的兴奋性。在电压钳记录下,检测介导膜电位SMPO 第四军医大学博士学位论文 的的持续性钠电流。另外,利用神经元数学模型,对噪声的作用进 行模拟与验证。 研究结果主要包括两部分: 第1部分:对DRG神经元按反应特征分类,分类依据包括:方 波和斜波去极化刺激下,放电数目,放电形式和放电频率;SMPO 的表现:动作电位首先爆发的位置。方波超极化刺激下,有无反跳 动作电位的发生。共检测了210个细胞,其中包括大细胞(直径 40脚)40个、中细胞(直径二30一40脚)1巧个和小细胞(直径 30协m)65个,根据其反应特征可分为4类: 1、36/40个大细胞和11/105个中细胞为第1类神经元。去极化 刺激下,细胞放电极少。细胞在方波和斜波去极化刺激下 均无SMPO。方波去极化刺激下,只在刺激的起始处爆发 单个动作电位:方波超极化刺激下,膜电位被超极化达到 一IOOmV,也无反跳动作电位的发生。 2、4/40个大细胞和40/105个中细胞为第2类神经元。在方波 和斜波去极化刺激下,细胞放电数目多;放电为簇状;细 胞一旦放电便具有较高的频率;随着膜电位去极化水平增 加,细胞的放电频率也增加但改变程度限于小范围内;在 方波和斜波去极化刺激下,细胞出现簇状、梭形的SMPO; 方波去极化刺激下,在刺激的起始处首先爆发动作电位; 方波超极化刺激下,细胞有反跳动作电位。 3、50/105个中细胞和12/“个小细胞为第3类神经元。在去极 化刺激下,放电数目较少,放电为一簇,细胞一旦放电便 具有较高的频率;且放电频率稳定;方波去极化刺激下, 在刺激的起始处首先爆发单个动作电位,放电局限于刺激 起始段,斜波去极化刺激下,放电局限于斜波的中间段; 在方波或斜波去极化刺激下,细胞有


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