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星形胶质细胞在桶状皮层功能及可塑性中的作用

孙缦利  
【摘要】:背景和目的:在哺乳动物的中枢神经系统中,存在两种神经细胞一神经元和胶质细胞。对于神经元的结构及其在信息处理和传递中的功能已经有了广泛而深入的研究,并且对其机制也了解得比较清楚。而相对于神经元来说,胶质细胞是怎样参与神经信息的整合、传输还没有很系统的研究。因为胶质细胞本身的电惰性,接受电刺激或机械刺激后不能像神经元那样发生动作电位,因此很长一段时期内人们都认为胶质细胞主要作用是对神经元起到支持和营养作用,本身不具备信息传递和处理的功能。 近年来大量研究发现胶质细胞和神经元共同参与神经系统中各项功能活动的调控。胶质细胞,特别是星形胶质细胞在各种信息处理中起着重要作用。但是这些研究结果主要是在离体水平得到的,缺乏说服力。而在在体情况下,动物脑内的胶质细胞与神经元之间的联系保持完整,环境相对更稳定,所得到的结果应更能反映星形胶质细胞在脑内的实际功能。故本实验拟在在体水平研究星形胶质细胞对重要脑功能如感觉信息处理中的作用。 桶状皮层(barrel cortex)作为体表感觉皮层中的一个主要部分,其第Ⅳ层中每个功能柱与啮齿类动物的面部须触须都具有一一对应性,每个功能柱中的神经元主要接受来自对应一根主要触须的传入信息,并产生诱发反应。利用这一特性,我们可以在刺激触须时记录到对应脑区神经元的电活动。因此在本实验中我们以桶状皮层第Ⅳ层为切入点,研究选择性刺激星形胶质细胞对桶状皮层功能及可塑性的影响。 实验方法:研究对象为Sprague-Dawley (SD)大鼠,220g-280g; C57BL(C57)小鼠,25-30g,雌雄不拘,20%乌拉坦(0.8ml/100g)腹腔注射麻醉后,固定于脑立体定位仪上。记录电极位置为:大鼠(P:1.9mm, LR:5.5mm, H:0.8-0.9mm);小鼠(P:1.5mm, LR:3mm, H:0.4mm)。触须刺激由电刺激器控制气泵产生气流,由玻璃微电极导出,气流方向由触须的正下方垂直于触须,一般引起的触须振动为-1mm。当找到对应的主反应触须(principle whisker, PW)后,记录单刺激诱发的皮层反应。脑内药物微量注射量为1μl,匀速注射3-5min。触须剥夺试验中,我们分别于SD大鼠出生后第一周和第五周进行双侧触须齐根剪掉,连续7天。正常对照组只对两侧进行模拟剪须行为,但不真正剪须。然后让触须正常生长至成年,做电生理记录,比较各组桶状皮层可塑性变化;心脏灌流后取出大脑组织,进行细胞色素氧化酶(cytochrome coxidase, CO)组化反应,镜下观察对照组和不同实验组大脑桶状皮层的结构差异。 结果:1、不同的刺激波宽对触须诱发反应的影响不同。当刺激波宽为0ms、lms、2ms时记不到诱发反应,当刺激波宽为3ms、4ms、5ms、6ms、7ms、8ms、9ms、10ms时可以记到诱发反应,而且从3ms到10ms之间所记到的诱发反应的幅度基本相同。2、触须刺激时不同的刺激间隔对同侧两根触须及异侧两根触须引起的诱发反应的影响不同。当同侧两根触须刺激间隔为0.2s、2s、5s时,PP ratio比值趋近于1,即对同侧一根触须刺激不影响另一根触须产生的诱发反应。而无论是同时刺激还是间隔刺激异侧两根触须,彼此都没有影响。3、当找到记录电极相对应的PW后,给予PW100Hzls的条件刺激后,不仅受到条件刺激的触须所对应的桶状皮层脑区能被诱导产生LTP,未给予条件刺激的同侧另一根触须所对应的桶状皮层脑区也出现LTP现象。而对侧没有给予条件刺激的触须所对应的桶状皮层脑区没有诱导出LTP现象。4、出生后第29-35d进行触须剥夺的大鼠,当任其触须重新生长至成年后,给予PW100Hzls条件刺激后,能在桶状皮层脑区诱导出LTP,与正常对照组比较无显著性差异(P0.05);出生后第1-7d触须剥夺的大鼠,当任其触须重新生长至成年后,给予PW相同的条件刺激却不能引起触须诱发反应的LTP现象,与正常对照组比较有显著性差异(P0.05)。CO反应显示,出生后第一周剪须的大鼠其功能柱之间的间隔比正常组和出生后第五周剪须的大鼠的大。5、桶状皮层注射缝隙连接的阻断剂生胃酮(carbenoxolone, CBX,200mM,1μl)后神经元的诱发电位的幅度从1.0±0.02mV降低到0.52±0.03mV(P0.01,n=6)。6、桶状皮层注射谷氨酸转运体-1(Glu-1)的特异性抑制剂DHK (1mM,1μl)后,神经元的自发放电频率从7.8±3.57Hz增加到21.4±9.53Hz(P0.01,n=7);诱发放电频率从2.07±0.93Hz增加到2.95±1.76Hz(P0.05,n=7)。7、桶状皮层注射胶质细胞选择性毒性药L-a-aminoadipic acid(AA,6.4mM, 1μl)后,神经元自发放电频率从9.6±2.28Hz增加到24±8.65Hz(P0.01,n=9);诱发放电频率增加9.7±2.51Hz增加到19.7±6.32Hz(P0.01,n=9);免疫组化结果显示注射AA侧的桶状皮层的胶质细胞数目与对侧(注射生理盐水)相比减少58±17%(P0.01,n=8)。8、桶状皮层注射抑制胶质细胞能量代谢的药-氟代柠檬酸(fluorocitrate, FC, 1mM,1μl)也可使神经元的放电频率增强,表现为注射FC后神经元自发放电频率从6.5±1.69Hz增加到42±14.3Hz(P0.01,n=6);诱发放电频率从6.5±1.83Hz增加到20.7±7.78Hz(P0.01,n=6);免疫组化结果显示注射FC侧的桶状皮层的胶质细胞数目与对侧(注射生理盐水)相比减少43±25%(P0.01,n=9) 结论:100Hzls的触须条件刺激会引起对应功能柱触须诱发反应的长时程增强。该可塑性变化可以扩散至同侧桶状皮层脑区的另外功能柱,但不能扩散到对侧桶状皮层脑区。出生后第一周对大鼠的感觉皮层的发育及其可塑性具有重要的作用。星形胶质细胞在桶状皮层信息处理及整合中可能对神经元活动起调节作用。


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