飞秒激光刺激诱导星形胶质细胞钙信号及其通信研究

摘要

星形胶质细胞通过钙信号与神经元网络发生双向通信,并在神经元与其它脑细胞间起中介作用,在大脑中发挥更复杂、更重要的新功能。研究星形胶质细胞的一项关键技术是激活细胞产生钙信号;然而传统方法都难以实现非侵入、高时空靶向的特异性激活。飞秒激光能够对生物结构进行精细的纳米操控,已被应用于多个研究领域。因此,本文提出飞秒激光刺激激活星形胶质细胞网络的方法,并初步探讨了单个星形胶质细胞内钙信号的整合和光刺激诱导的星形胶质细胞-神经元通信。
　　聚焦于星形胶质细胞上表面细胞膜的飞秒激光,诱导了以靶标细胞为中心向外呈辐射状传播的胞间钙波,激活了星形胶质细胞网络。细胞膜靶点处FM荧光亮点,无钙外液抑制钙响应,胞内碘化丙碇荧光,都证明飞秒激光刺激是通过在细胞膜形成穿孔效应实现的。进一步实验表明穿孔是局部而瞬时的,不会影响细胞的存活及正常功能。
　　详细阐述了飞秒激光刺激诱导的星形胶质细胞网络钙信号的特征。细胞网络钙波的传播速率随时间呈指数下降;发现胞内钙振荡和胞间钙振荡波的现象;证明细胞网络钙波的传播主要是由ATP激活代谢型受体介导的;提高飞秒激光刺激强度,对应获得增强的星形胶质细胞钙信号,包括被刺激细胞内钙升高幅度增加,钙波范围增加和传播速率提高,表明星形胶质细胞钙信号的光刺激强度依赖性。
　　结合飞秒激光刺激和基于声光偏转器的快速光束偏转技术,在自建的随机扫描双光子荧光显微镜系统上建立双点刺激实验模式,初步探讨了单个星形胶质细胞内钙信号的整合。发现被刺激细胞内三种钙信号传播的模式:延迟型,缓慢型,和混合型。采用钙信号起始延迟时间、上升时间和相对幅度3个参数,评价单个星形胶质细胞内钙信号的整合效应——响应倾向于起始提前,上升相加快,幅度上表现出亚线性加和,说明整合结果为加快了钙信号的动力学。
　　在混合培养的海马星形胶质细胞和神经元网络上,飞秒激光刺激诱导了星形胶质细胞-神经元通信。飞秒激光刺激激活星形胶质细胞的同时,触发了网络中神经元的钙响应,且响应时间与它距刺激靶标细胞的距离呈近似线性的关系。发现星形胶质细胞的钙信号能够调控神经元同步振荡,包括诱导神经元同步钙振荡;即时干预神经元同步网络;以可能的“节律器”作用,调制网络的自发高频同步振荡。
　　综上,本文利用飞秒激光刺激方法研究了星形胶质细胞钙信号及其通信,该方法为星形胶质细胞研究提供了非侵入、无损、可重复、精确时空靶向、强度精确可控的激活手段。

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1 绪论

1.1 星形胶质细胞及其钙信号

1.2 星形胶质细胞的新功能

1.3 激活星形胶质细胞的常规刺激方法

1.4 飞秒激光纳米操控技术

1.5 本文主要内容

2 飞秒激光刺激激活星形胶质细胞网络*

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 飞秒激光刺激方法*

2.4 讨论

2.5 本章小结

3 飞秒激光刺激诱导的星形胶质细胞钙信号的特征*

3.1 引言

3.2 星形胶质细胞网络钙波的传播速率及振荡

3.3 星形胶质细胞网络钙波的传播机制

3.4 飞秒激光刺激强度依赖的星形胶质细胞钙信号

3.5 讨论

3.6 本章小结

4 单个星形胶质细胞内钙信号的整合

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 单点刺激下细胞内钙信号传播模式

4.4 双点刺激下细胞内钙信号整合

4.5 讨论

4.6 本章小结

5 飞秒激光刺激诱导星形胶质细胞-神经元通信*

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 飞秒激光刺激星形胶质细胞触发神经元钙响应

5.4 飞秒激光刺激星形胶质细胞调控神经元同步振荡

5.5 讨论

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 作者攻读博士学位期间发表论文列表

附录2 本文主要使用的英文缩写