老化和酒精暴露对猫视通路细胞反应特性的影响

摘要

一、老化对猫视通路细胞反应特性的影响
　　在视觉信息处理中，对比敏感度是指个体在检测亮度相对变化方面的能力，它被认为是视觉系统的一个基本特征和空间视觉的最重要指标之一。心理物理学研究证实，与青年个体相比，老年人对比敏感度显著下降。先前的研究表明，老年个体视觉系统中光学部分的变化并不能完全解释正常老化导致的视功能退化，而视觉神经系统的变化是老化导致的对比度编码功能退化的重要因素之一。视觉系统将输入信息逐级分层加工处理。视通路中处于不同视区的神经元对不同水平的对比度的编码具有递级特性。视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)和外侧膝状体(lateral geniculate nucleus，LGN)神经元如实地表征图像对比度，对比度编码的增益控制(contrast gain control)出现在初级视觉皮层(primary visual cortex，A17)，且纹外皮层神经元也表现出显著的对比度增益控制，这种增益控制可能是由一个分离的抑制机制介导的。先前在老年猕猴上的研究表明，初级视皮层(primary visual cortex，V1)以及中颞视区(medial temporal area，MT)神经元的对比度反应特性与青年猕猴相比受损严重。另外，与老化相关的神经元变化在某些视区也分别有相关描述。然而，老化对视通路不同视区神经元的影响程度是否一致仍不清楚。诸多神经生理学和行为学研究表明，视通路不同阶段分别涉及基本和复杂的视觉信息处理，且高级视皮层涉及更为复杂的视觉信息处理。心理物理学研究发现与一阶刺激对应的运动视知觉损伤相比，对比度调制的二阶刺激的运动视知觉受老化影响更为严重，但其对应的神经机制仍缺乏直接的生理依据。本研究采用在体胞外单细胞记录技术以及多通道记录技术，以青年猫和老年猫为动物模型，探究老化对视通路中不同视区神经元对比度反应特性的影响。
　　我们测量并比较了青年猫和老年猫视通路中外侧膝状体(LGN)、初级视皮层(A17)、次级视皮层(A18)和后内侧部外侧上薛氏区(PMLS)神经元对比度反应方程的特性，并且分析了青年猫和老年猫之间在视通路中各个水平对比度反应特性的不同。
　　我们发现老化对LGN神经元的影响没有显著性。青年猫和老年猫中，Y细胞的对比敏感度均值均小于X细胞的对比敏感度均值，但是在青年猫和老年猫之间，两种细胞之间均没有显著性差异。我们的实验结果表明，与青年猫相比，老年猫神经元对比敏感度、最大诱发发放、自发放以及信噪比等细胞反应特性均没有显著性改变。
　　然而，本研究发现三个皮层视区的神经元均存在显著性的老化损伤。具体来讲，与青年猫相比，老年猫皮层视区的神经元对比敏感度下降，且神经元对比敏感度的下降伴随着最大诱发发放和自发放的升高以及信噪比的下降。我们的研究结果表明在视通路中等级越高的神经元受老化的影响越严重。PMLS区神经元对比敏感度受老化影响最严重，其次是A18区和A17区，而LGN区神经元的对比敏感度几乎不受老化的影响。
　　本实验系统研究了青年猫和老年猫视通路中四个脑区神经元对比度反应方程的异同。我们发现老年猫:1）三个皮层视区神经元的对比敏感度的降低伴随着最大诱发发放和自发放的升高以及信噪比的降低;2）在视通路中等级越高的神经元受老化的影响越严重。LGN神经元几乎不受老化的影响，老化显著性地影响A17区，A18区和PMLS区神经元的对比度反应特性，其中PMLS区神经元的对比敏感度受老化影响最严重。我们的实验结果为老化过程中简单和复杂视知觉任务受损不一致的现象提供了可能的神经机制。
　　二、急性酒精暴露对猫PMLS细胞速度调谐特性的影响
　　已有研究表明，正常人急性摄入酒精后，其感知其他车辆相对速度变化的能力下降，并且调整自己车辆速度的能力也下降。心理学研究也证明，受试者摄入酒精后，产生运动知觉损伤，表现出对基于速度知觉的任务完成能力下降。急性酒精暴露后，在一定程度上依赖于速度和加速度估计的眼动任务的性能也遭受损伤，这些下降很可能归因于一些酒精相关的目标速度感知的变化。急性摄入酒精后，介导视觉运动知觉损伤的视觉皮层功能损伤曾在视觉诱发电位的研究中观察到。事实上，我们曾报道，急性酒精暴露后，猫初级视觉皮层细胞的方向选择性发生退化。然而，运动知觉的另一个重要部分——速度，尚未被详细研究。在哺乳动物，急性酒精暴露对皮质速度调解机制的影响尚不清楚。
　　猫后内侧部外侧上薛氏区(PMLS)，如同灵长类的同系物，中颞叶区(MT)，密切参与皮层速度信息的编码和解码。许多PMLS神经元对移动的视觉刺激的速度存在调谐。这些细胞被认为在分析刺激速度中发挥了重要作用。损毁猫PMLS对完成复杂运动知觉任务，速度辨别以及局部运动信号整合和在噪音中运动信号提取均产生了有害影响。PMLS也被认为参与了整体运动分析来确定运动方向和引导运动。鉴于以上，任何PMLS区速度选择神经元的功能异常似乎有可能对速度知觉产生不利的影响。因此，探究酒精暴露后PMLS速度神经元的调谐特性是非常吸引人的。相关研究结果可能对与酒精相关的速度知觉损伤的生理机制提供一些有价值的线索。
　　我们使用随机点刺激研究急性酒精暴露对猫PMLS区神经元速度调谐特性的影响。我们发现急性酒精暴露导致PMLS神经元速度调谐特性显著降低。相比之前，急性酒精暴露后，PMLS神经元的最优速度降低、速度调谐带宽变宽。另外，急性酒精暴露使得PMLS神经元速度响应的调制和辨别能力明显受损。同时，急性酒精暴露后，PMLS神经元表现出自发放活动、峰值响应和信噪比下降。我们的研究结果为急性酒精摄入导致的视觉运动信息处理损伤提供了一个可能的神经生物学基础。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 视觉系统信息处理通路概述

1．1．1 视觉系统生物学概述

1．1．2 猫视觉通路不同视区信息传导概述

1．2 视觉系统神经元的图像对比度编码

1．2．1 皮层下视区神经元对比度编码特性

1．2．2 皮层视区神经元对比度增益控制的编码

1．3 猫PMLS区速度编码特性

1．4 急性酒精暴露对视功能的影响

第二章 实验(一)老年猫视通路中细胞对比度反应特性的退化

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验动物

2．2．2 外科手术和胞外电生理记录

2．2．3 视觉刺激

2．2．4 数据采集及分析

2．3 实验结果

2．3．1 青年猫和老年猫LGN神经元对比度反应曲线的比较

2．3．2 青年猫和老年猫A17和A18神经元对比度反应曲线的比较

2．3．3 青年猫和老年猫PMLS神经元对比度反应曲线的比较

2．3．4 老化对视通路上不同视区神经元对比敏感度的影响

2．4 讨论

第三章 实验(二)急性酒精暴露对PMLS区速度表征的影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验动物

3．2．2 动物准备与电生理记录

3．2．3 视觉刺激

3．2．4 数据采集与分析

3．2．5 酒精施加和评测

3．3 实验结果

3．3．1 最优速度

3．3．2 速度调节带宽

3．3．3 调制和辨别指数

3．3．4 自发放，峰反应和信噪比

3．3．5 速度调谐指标和峰反应之间的关系

3．4 讨论

第四章 总结与展望

4．1 工作总结

4．2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

在读期间获奖情况

在读期间已(待)发表的论文