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图像形状刺激对猫视觉皮层内源性信号光学成像的影响及其机制的研究

史远  
【摘要】: 内源性信号光学成像技术经过十多年的研究与完善,已经成为脑认知科学中一个极为重要的研究手段。该技术是以动物视皮质表面受到视觉信号刺激时,神经元活动产生的生物电、氧合血红蛋白及二氧化碳含量的变化,作为内源性信号。这些内源性信号的变化伴随着相关的光学变化,用光敏电荷耦合器件摄像机,将整片脑区中的兴奋区域和相对不兴奋区域记录下来,并用计算机图像处理技术区分出来,显示在二维平面上。该技术具有灵敏度高,无药物毒性伤害,比较真实地反映皮层正常功能活动的特点。为此受到研究者的喜爱。猫视觉初级皮质(17区)是猫受到视觉信号刺激后大脑皮层接受信息的第一站,外侧膝状体上传的信息,在此引起了哪些部位的反应?出现何反应?是研究者非常关心的问题。因此17区成为研究视觉认知的常用部位。国内外学者利用内源性信号光学成像技术,对猫的17区进行了方位功能柱活动的研究。研究结果显示,水平光栅和垂直光栅分别刺激视网膜时,产生的内源性信号光学成像图,呈现两者空间上大体互补镶嵌的兴奋与抑制关系。然而,影响神经元活动的麻醉剂对17区方位功能柱活动的影响,图像形状刺激对17区方位功能柱的影响,未见用内源性信号光学成像技术显示的报道。本文用四种麻醉剂、不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的影响,探索图像形状刺激与17区方位功能柱活动的关系及其影响机制。研究内容分三部分,第一部分为刺激信号的制作;第二部分为四种麻醉剂对内源性信号光学成像的图像的影响;第三部分是不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的图像的影响及其机制的研究。 第一部分刺激信号的制作。为满足本实验的要求,参考前人的刺激信号标准,利用C++语言编写程序,制作了两类(三种)刺激信号。即垂直条纹移动光栅刺激信号(普通刺激信号)和鱼形与垂直条纹镶嵌移动光栅刺激信号两类。鱼形与垂直条纹镶嵌移动光栅刺激信号又分为外隐内显型(关键图形刺激信号1)、外显内隐型(关键图形刺激信号2)2种。经调试和验证,刺激信号适合本实验要求。 第二部分为四种麻醉剂对内源性信号光学成像的图像的影响。利用垂直条纹移动光栅刺激。观察了在麻醉一期状态下,氯胺酮、硫苯妥钠、戊巴比妥钠和恩氟醚对内源性信号光学成像的图像的影响;使用同一种麻醉剂,在不同麻醉状态对内源性信号光学成像的图像的影响;使用同一种麻醉剂,在同一麻醉状态下持续不同时间对内源性信号光学成像的图像的影响。结果显示,四种麻醉剂中,氯胺酮加肌松剂麻醉时,成像效果较好。即垂直条纹移动光栅刺激在初级视皮层引起不同功能柱活动,从而形成明暗相间的云片状斑点对比度高,图像清晰。其次为恩氟醚、硫苯妥钠;戊巴比妥钠麻醉时,成像效果最差。在同一麻醉剂、不同麻醉状态下,成像效果最好的是麻醉一期。均在麻醉一期,持续时间不同,不同麻醉剂对成像的影响也不同;在1小时内信号较稳定,随持续时间的延长图像信号的稳定性随之变弱。 第三部分是不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的图像的影响及其机制的研究。首先在自然状态下,利用三种刺激信号(第一部分研究中自制的)对喜欢吃鱼的猫、不喜欢吃鱼的猫进行为期三周的看图形给食物(喜欢吃鱼的猫给鱼,不喜欢吃鱼的猫给普通猫粮)的学习强化训练。然后在一期麻醉状态下观察三种刺激信号(第一部分研究中自制的)对喜欢吃鱼的猫、不喜欢吃鱼的猫视觉初级皮质的内源性信号光学成像图的影响。结果显示,利用普通信号、关键图形刺激信号1刺激时,喜欢吃鱼的猫、不喜欢吃鱼的猫的光学成像图之间几乎类同;利用关键图形刺激信号2刺激时,喜欢吃鱼的猫的成像图与不喜欢吃鱼的猫之间有差异。这种差异也有别于喜欢吃鱼的猫在受到普通信号刺激时形成的图像。这说明视觉初级皮层的方位功能柱的活动能够反应外界刺激信号的变化;但是这种反应并不是刺激信号的简单定位;而是个体依据其本身的内在因素对刺激信号的筛选而作出的反应。不同个体之间反应的差异不是通过三周的学习与强化就能改变的。 综上所述,麻醉剂的种类、麻醉状态、麻醉时间对内源性信号的光学成像的图像信息均有影响,以氯胺酮加肌松剂麻醉时,成像效果较好。麻醉一期状态图像清晰。麻醉在1小时内的图像信号较强且稳定。在相同条件下,不同个体对不同视觉刺激信号产生内源性信号的光学成像图不同,这种图中的信息不同,反映了视觉皮层功能柱反应不同,这种差异是个体依据其本身的内在因素对刺激信号的筛选而作出的反应。而不同个体之间反应的差异不是通过三周的学习与强化就能改变的。这些研究结果对于深入认识视觉皮层的功能特点、初级视觉皮层对视觉信息的处理机制以及在器官水平上探索脑的认知规律提供了动物实验依据。


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