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大鼠theta和gamma神经振荡参与调节突触可塑性及潜在机制探究

作　者: 郑晨光
导　师: 张涛
学　校: 南开大学
专　业: 生物信息学
关键词: 神经振荡 theta节律 gamma节律 突触可塑性 抑郁症 C6胶质瘤
分类号: R749.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


研究背景大脑对复杂的认知功能的执行需要多个脑区间的神经元相互协同作用,而大脑中的神经振荡将相关的神经元集群的活动联系在一起,为脑区间的协调作用提供了机制。Theta和gamma振荡是中枢神经系统中非常重要的两类神经振荡,它们不仅作为诸多认知和记忆功能实现的关键因素,还参与了多种神经精神疾病中功能缺失的调节。突触可塑性是认知和记忆过程的细胞学基础,那么神经振荡与突触可塑性之间的联系可能是其调节认知功能的潜在机制。目的本研究通过建立大鼠病理模型,并将电生理实验与数值计算方法相结合,深入地探讨theta和gamma节律及其相位同步、相位耦合以及相位-幅值交叉耦合(PAC)是如何反映突触可塑性的改变,进而调控认知功能的潜在机制。方法实验动物分为三部分第一部分：成年雄性Wistar大鼠18只,随机分为正常组(Con,n=6)、应激模型组(Dep,n=6)和美金刚治疗组(MEM,n=6)对Dep和MEM组采用慢性不可预见性应激(CUS)模型进行21天建模。从建模第2天起对MEM组大鼠腹腔给予美金刚药物,至建模完成后1天。建模过程中测量体重并进行糖水摄入/消耗实验以验证建模成功。随后的电生理实验中记录丘脑LDDM核团和前额叶皮层(mPFC)的局部场电位(LFPs),之后诱导这条通路的长时程增强(LTP)。通过数值计算分析采集的LFPs数据,分别应用多窗谱估计法计算功率谱能量、样品熵计算信号复杂度、相锁值(PLV)度量相位同步、演化映射法(EMA)和条件互信息(CMI)度量耦合方向指数和单向耦合系数。第二部分：成年雄性Wistar大鼠44只,随机分为正常组(Con,n=14)、应激模型组(Dep,n=14)、多巴胺D1受体拮抗剂干预组(SCH, n=8)和5-HT1A受体激动剂干预组(8-OH,n=8)其中Con组和Dep组各6只大鼠作补充实验。其中只对Dep组大鼠建立CUS模型。对SCH和8-OH组,分别给予急性侧脑室注射SCH-23390和8-OH-DPAT。随后对四组大鼠进行电生理实验,诱导腹侧海马CA1-mPFC通路的LTP,并分别在加药前后和LTP前后记录这两个脑区的自发LFPs。通过数值计算分析采集的LFPs数据,分别应用多窗谱估计法计算功率谱能量、PLV度量相位同步、EMA和CMI度量单向耦合系数、PAC多种算法度量theta与低频gamma (LG)和theta与高频gamma (HG)节律间的交叉耦合强度。第三部分：成年雄性SD大鼠24只,随机分为正常对照组(CTRL, n=12)和胶质瘤模型组(GLIO,n=12)。对GLIO组大鼠脑内注射C6胶质瘤细胞,CTRL组注射DMEM培养基。随后对两组大鼠进行电生理实验,记录肿瘤对侧脑区的背侧海马CA3和CA1区的自发LFPs。通过数值计算分析采集的LFPs数据,分别应用PAC多种算法及提出的基于时滞的新算法CF-CMI和CF-EMA来度量节律间的交叉耦合强度。结果1.CUS增强了mPFC的能量,尤其在delta、theta和beta节律上。但CUS大鼠mPFC的样本熵值明显下降,美金刚对功率谱和样本熵无显著作用。2.丘脑LDDM->mPFC在theta节律的耦合方向指数d及单向的耦合强度指数cLDDM→mPFC(EMA算法)和iLDDM→mPFC(CMI算法)在CUS大鼠中显著降低,且美金刚治疗后对theta节律的相位耦合强度有所回升。3.CUS大鼠海马CA1-mPFC之间theta节律的相位耦合受到抑制,与急性加入多巴胺D1受体拮抗剂后变化一致：而gamma节律的相位耦合被CUS增强了,这与急性给予5-HT1A受体激动剂后的结果相似。并且,CUS还抑制了海马CA1区theta-HG节律间的PAC强度,同样的变化发生在5-HT1A受体的急性激活后。4.正常大鼠和CUS大鼠中,海马CA1→mPFC的theta节律单向相位耦合在诱导LTP后较诱导前均显著增强,但在CUS大鼠中的增强幅度低于正常大鼠,这与海马CA1-mPFC突触可塑性在CUS大鼠中的变化相一致。5.海马CA1区theta-LG节律间PAC强度在高频刺激后长时程的增强(>60min),而theta-HG节律间PAC强度只存在短时程的增长(<30min)。6.海马CA3区的交叉耦合模式以theta-LG节律间的PAC为主,而CA1区同时存在theta-LG和theta-HG两种PAC模式,其中theta-LG的PAC受到了CA3区神经元对其的传导。C6胶质瘤大鼠的CA3区内和CA3-CA1脑区间theta-LG节律PAC强度明显减弱,进而使得CA1区内theta-LG节律PAC也被降低。7.改进了基于时滞参数τ的两种新算法CF-CMI和CF-EMA,其应用表明CA3-CA1脑区间PAC在达到最大强度时的时滞τmax单峰聚集于20ms左右的时间尺度,提示时滞PAC可能是CA3-CA1网络中交叉耦合强度的真实度量。结论1.CUS抑制了丘脑LDDM->mPFC的theta节律单向相位耦合强度,与其对这条神经通路上LTP的抑制相一致,提示丘脑与皮层间的theta节律相位耦合与突触可塑性存在着某种联系。2.CUS大鼠中海马CA1→mPFC的theta节律单向相位耦合在LTP前后的增幅显著降低,进一步印证了theta节律的相位耦合与海马CA1-mPFC突触可塑性相关。在海马CA1区内,theta-LG PAC与长时程增强相关,而theta-HG PAC只与短时程增强相关。3.CUS对海马CA1-mPFC之间theta节律相位耦合的抑制受到多巴胺系统的调节；而对gamma节律相位祸合的促进可能是激活5-HT1A受体所致。另外,5-HT1A受体还调节了海马CA1区theta-HG PAC现象。4.C6胶质瘤在大鼠脑内的种植降低了海马CA3-CA1神经网络中theta-LGPAC的强度,这可能与其对认知功能的损伤相关。5.海马CA3-CA1脑区间存在时滞的PAC现象,能够更为精确的度量交叉耦合强度,并且时滞可能与突触传递相关。

全文目录


摘要  5-9
Abstract  9-19
第一章 引言  19-30
  第一节 研究背景  19-27
    1.1.1 神经振荡及其功能  19-25
    1.1.2 神经振荡与突触可塑性  25-27
  第二节 研究目的、意义和内容  27-29
    1.2.1 研究目的  27-28
    1.2.2 研究意义  28
    1.2.3 主要研究内容  28-29
  第三节 本论文的结构安排  29-30
第二章 CUS对大鼠丘脑-皮层通路突触可塑性与神经振荡的影响  30-56
  第一节 前言  30-33
    2.1.1 抑郁症概述  30-32
    2.1.2 丘脑-皮层神经通路与认知  32-33
    2.1.3 本实验的研究目的  33
  第二节 材料和方法  33-42
    2.2.1 实验材料  33-34
    2.2.2 实验设计  34-35
    2.2.3 动物实验方法  35-37
    2.2.4 实验数据分析方法  37-42
    2.2.5 数据处理及统计分析  42
  第三节 实验结果  42-52
    2.3.1 CUS对大鼠体重和糖水摄入/消耗量的影响  42-44
    2.3.2 CUS对丘脑LDDM-mPFC的LFPs能量和复杂度的影响  44-46
    2.3.3 CUS对丘脑LDDM-mPFC的相位同步和相位耦合的影响  46-51
    2.3.4 CUS对丘脑LDDM-mPFC神经通路突触可塑性的影响  51-52
  第四节 讨论  52-56
    2.4.1 CUS模型模拟抑郁症状态  52
    2.4.2 抑郁症改变mPFC的神经活动  52-53
    2.4.3 抑郁症抑制了theta节律相位同步  53
    2.4.4 丘脑LDDM至mPFC的主导信息传递  53-54
    2.4.5 Theta节律的单向耦合强度与突触可塑性  54-55
    2.4.6 本章小结  55-56
第三章 CUS大鼠海马-皮层通路theta和gamma节律反映突触可塑性及DA和5-HT参与调节的可能机制  56-110
  第一节 前言  56-66
    3.1.1 慢性应激的神经递质调节  56-58
    3.1.2 慢性应激对海马CA1-mPFC通路可塑性的影响  58-61
    3.1.3 精神类疾病与神经递质对海马CA1-mPFC神经网络振荡的影响  61-64
    3.1.4 海马CA1区theta与gamma节律的交叉耦合  64-65
    3.1.5 本实验的研究目的  65-66
  第二节 材料和方法  66-73
    3.2.1 实验材料  66
    3.2.2 实验设计及实验流程  66-68
    3.2.3 动物实验方法  68-70
    3.2.4 实验数据分析方法  70-73
    3.2.5 数据处理及统计分析  73
  第三节 实验结果  73-100
    3.3.1 CUS对海马CA1-mPFC突触可塑性的影响  73-76
    3.3.2 CUS对海马CA1-mPFC的LFPs能量的影响  76-79
    3.3.3 CUS对海马.皮层LFPs相位同步和耦合的影响  79-87
    3.3.4 CA1-mPFC在theta节律耦合的长时程增强与突触可塑性LTP  87-90
    3.3.5 CUS对CA1区theta-gamma交叉耦合的影响  90-100
  第四节 讨论  100-110
    3.4.1 抑郁症模型的海马CA1-mPFC神经通路突触可塑性被抑制  100-102
    3.4.2 DA和5-HT参与调节抑郁症的神经振荡耦合  102-104
    3.4.3 相位耦合能够反映突触可塑性  104-106
    3.4.4 海马CA1区theta-gamma交叉耦合反映突触可塑性  106-108
    3.4.5 本章小结  108-110
第四章 海马CA3-CA1网络中theta节律相位时滞地调节LG幅值及胶质瘤模型对其的影响  110-129
  第一节 前言  110-112
    4.1.1 海马网络中theta与gamma节律的交叉耦合  110-111
    4.1.2 胶质瘤概述及C6胶质瘤模型  111
    4.1.3 本实验的研究目的  111-112
  第二节 材料和方法  112-116
    4.2.1 实验材料  112-113
    4.2.2 动物实验方法  113-114
    4.2.3 实验数据分析方法  114-115
    4.2.4 数据处理及统计分析  115-116
  第三节 实验结果  116-125
    4.3.1 海马CA3-CA1神经网络中的无时滞PAC  116-121
    4.3.2 海马CA3-CA1神经网络中的时滞依赖的PAC  121-124
    4.3.3 theta环中的gamma能量变化  124-125
  第四节 讨论  125-129
    4.4.1 CA3-CA1神经网络内无时滞的PAC度量  125-126
    4.4.2 时滞PAC对CA3-CA1脑区间交叉耦合的精确度量  126-127
    4.4.3 C6胶质瘤大鼠无时滞的theta-LG间PAC强度下降  127-128
    4.4.4 本章小结  128-129
第五章 总结与展望  129-133
  第一节 主要结论  129-130
  第二节 主要创新点  130-131
  第三节 研究前景展望  131-133
参考文献  133-149
致谢  149-151
个人简历  151-152
在学期间发表论文  152-153

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中图分类: > 医药、卫生 > 神经病学与精神病学 > 精神病学 > 情感性精神病
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