长时间培养海马神经元网络的全局动力学特性与调控研究

摘要

理解并揭示大脑运作的模式是神经科学的基本研究目标。大脑运作过程中的重要特性和表征之一是神经网络自发涌现出的网络放电模式，深入研究该自发活动隐含的动力学机制将有助于探索并最终阐明神经系统内信息传输、存储与处理过程的内在规律。围绕神经元网络体外发育过程中动力学特征与调控规律问题，本文利用多电极阵列上离散培养的海马神经元网络，在网络介观的尺度上开展了多位点的长时间同步记录，对网络全局动力学特征随发育的演化规律以及在药物及电刺激操纵下的调控规律进行了初步探索。主要研究内容和结论如下：
　　（1）设计并实现了一套针对多通道神经电生理实验系统的控制软件与海量放电活动数据的分析工具，改进了基于多电极阵列培养皿的大鼠海马离散神经元网络原代培养方法和记录环境稳定维持系统，实现了长时间体外发育过程中神经元网络放电活动数据的平稳记录（最长可达18个月），为神经网络活动的动力学机制研究提供了稳定可靠的基础数据。
　　（2）完整地跟踪并记录了23组长时间培养（100至150天）神经元网络的体外发育过程，并针对长时间发育活动数据提出了一种对网络放电活动模式全局动力学状态的分析方法。首次报道了网络发育过程中涌现的亚稳定转换轨迹。结合临界雪崩分析方法和网络功能拓扑的量化指标，发现该亚稳定发育轨迹的出现与自组织临界性密切相关，这一结果提示发育过程中网络的自组织临界特性可引导自发放电活动进入连续的瞬态调控转换过程。并且，仅有在发育早期即表征出自组织临界特性的网络样本，才可稳定维持这种亚稳定的发育轨迹。基于培养神经网络体外发育的完整过程，该结果首次为复杂网络自组织临界特性和亚稳定动力学特性间的重要关联提供了实验证据。
　　（3）针对网络内药物调控的急、慢性效应进行研究。使用经典的神经活动评价指标结合网络簇发同步性分析、功能拓扑分析和社群分析跟踪分析辛醇和铁作用下网络全局动力学特性的改变。首次发现了辛醇持续作用下网络自发活动的自回复现象。辛醇自回复结果提示了网络自发活动产生和维持过程中的稳态可塑性机制。高浓度铁作用的慢性积累效应展示了铁过量摄入对网络功能连接社群结构的融合作用和铁缺乏所造成的社群解离作用，初步揭示了功能连接结构与动力学特征的紧密关联。
　　（4）针对刺激模式对网络全局特征的调控规律进行研究。通过对比分析刺激前后的网络自发活动状态，结果显示常用的随机乱序刺激模式虽然显著抑制了网络内的密集放电，其作用前后的网络全局动力学状态却无明显变化；同时顺序双点闭环刺激虽仅作用于网络内指定两节点并显著增强了两者间的关联响应，然而其作用后网络内放电模式状态出现了融合。这一结果提示了使用电刺激调控网络动力学状态时，网络全局的动力学特征受刺激的顺序与作用范围影响，顺序刺激对网络活动的操纵不仅体现为局部关联的增强，同时改变了网络全局的活动特征。
　　基于长时间培养的神经元网络，本研究从介观尺度初步探索了网络自发活动全局的动力学特征及调控规律，为揭示神经网络信息的群体活动编码规律和脑式神经信息处理机制提供了新的思路，对神经功能性疾病的早期诊疗和神经系统发育规律的深入研究具有积极意义。

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英文缩写对照一览表

1 绪论

1.1 神经信息学研究概述

1.2 网络层次的神经信息分析方法

1.3 多电极阵列在网络动力学特性与调控研究中的应用

1.4 本文的主要研究内容

2 离散培养海马神经元网络放电活动的获取

2.1 引言

2.2 离散培养的大鼠海马神经元网络的长时间体外维持

2.3 离散培养神经元网络自发活动的稳定记录

2.4 神经元网络体外发育数据库的整理与共享

2.5 本章小结与讨论

3 海量多通道神经电生理信息数据处理平台的设计与实现

3.1 引言

3.2 自发电信号的获取与初步分析

3.3 Linux下闭环实时反馈实验平台控制软件的设计与实现

3.4 通用多通道随机刺激实验控制程序的设计与实现

3.5 多通道海量神经信息处理工具包的设计与实现

3.6 本章小结与讨论

4 离散培养大鼠海马神经元网络自发发育动力学特征的分析

4.1 引言

4.2 神经元网络体外自发发育过程中的网络活动状态提取

4.3 网络自发发育过程中状态转换的亚稳定动力学特性

4.4 网络状态转换过程与网络功能拓扑演化的关联性

4.5 网络自发发育中的自组织临界性

4.6 本章小结与讨论

5 离散培养海马神经元网络动力学状态的调控

5.1 引言

5.2 网络自发放电活动在药物抑制下的自回复

5.3 药物慢性作用对网络内神经群落功能连接的修饰

5.4 刺激模式对网络动力学状态的调控

5.5 本章小结与讨论

6 总结和展望

6.1 主要研究工作总结

6.2 本文的主要创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文和已授权发明专利目录

附录2 长时间离散培养海马神经元网络样本列表