低频电刺激对培养神经元网络慢振荡的调控研究

摘要

同步振荡存在于脑的多种功能活动中，是神经科学研究中的重要对象。频率小于1Hz的同步振荡是慢振荡，被认为与记忆过程相关，但其形成和调控机制尚不清楚。本文在培养于多电极阵列上的海马神经元网络中发现了慢振荡，研究了其时空特征，并在此基础上初步探索了低频电刺激对慢振荡的调控及其机制。主要研究内容和结果如下：
　　 通过多电极阵列对培养海马神经元网络的长时间自发信号记录，发现在发育中期的网络中存在周期为250-300s的慢振荡。慢振荡的一个周期中包含两种活动状态：‘up’和‘down’状态。‘up’状态时，网络活动为同步超级簇发（superburst），平均放电频率较高，各细胞集群间的活动同步性增大，高于‘down’状态。‘down’状态时，网络活动为散发锋电位发放模式，放电频率呈现从零逐渐升高的趋势。在神经元网络中，‘up’状态和‘down’状态交替出现形成慢振荡。该活动模式具有精确时间结构和同步化的特征，且可维持1个月以上，为研究慢振荡的调控及机制提供了有利模型。
　　 利用低频电刺激能够诱导网络提前进入‘up’状态，从而缩短慢振荡的周期，实现对慢振荡的调控。1Hz电刺激不影响‘up’状态的持续时间，并使‘down’状态的持续时间由180s左右缩短为60s左右；10Hz电刺激虽然能使‘down’状态的持续时间短于60s，但延长了‘up’状态的持续时间。其中1Hz电刺激起始时刻越远离‘up’状态的结束时刻，所需的刺激脉冲数目越少，两者之间呈负线性关系。在发育后期网络慢振荡消失后，1Hz电刺激不能诱导出同步超级簇发；10Hz电刺激能够诱导出同步超级簇发，但持续时间短于自发状态下。结果表明，1Hz电刺激可诱导‘up’状态的提前出现，同时保持‘up’状态内部时空特征，因此可以作为研究慢振荡产生和调控机制的有力工具。
　　 对神经元网络响应的规律及GABA-A受体的作用进行分析，探讨了低频电刺激对慢振荡调控的机制。诱导的和自发的‘up’状态起始活动频率相同，说明慢振荡是活动频率依赖的。在‘down’状态时，低频电刺激引起数目相对稳定的响应锋电位，且该数目与神经元自身自发平均锋电位频率呈正线性关系，从而同步增加网络的活动频率，提前进入‘up’状态。抑制GABA-A受体之后，频率约2 Hz的同步簇发活动取代了慢振荡，响应锋电位发放的时间精度降低，GABA-A受体在慢振荡中起维持精确时间结构的作用。在网络加入GABA-A受体阻断剂之后，低频电刺激不能诱导出超级簇发。因此，低频电刺激对慢振荡的调控机制是：在GABA-A受体维持网络活动的精确时间结构的基础上，通过引起网络响应，提高活动频率，使网络提前进入‘up’状态。
　　 总之，慢振荡具有精确的时间结构和同步化的特征，且不同于GABA-A受体被阻断后产生的癫痫状同步振荡；低频电刺激能够通过引起响应锋电位的方式提高网络的放电频率，诱导网络提前进入‘up’状态，缩短慢振荡的周期；GABA-A受体在慢振荡中起维持精确时间结构的作用，其存在是实现慢振荡低频电刺激调控的前提。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 基于多电极阵列的神经电生理实验数据获取及共享

3 培养海马神经元网络的慢振荡现象

4 低频电刺激对慢振荡的调控

5 慢振荡的电刺激调控机制研究

6 总结及展望

致 谢

参考文献

附 录1 攻读学位期间发表论文目录