（生物物理学专业论文）慢性吗啡暴露对猫外膝体细胞反应潜伏期和变异性的影响.pdf

摘要 摘要 在视觉通路中，外膝体接收来自视网膜神经节细胞的信息，大部分投射至初 级视皮层，并且，它也受高级皮层区域信号的强反馈作用。外膝体不仅是视网膜 到视皮层的中继站，而且对视觉信息处理起非常重要的作用。由于阿片受体在哺 乳动物视觉系统中有丰富的分布，人们普遍认为视觉系统受吗啡作用的调制。已 有相关研究表明慢性吗啡暴露能引起神经元功能特性的退化，但目前还缺乏关于 吗啡对视觉系统时间信息和反应变异性作用的报道。 在本工作中，我们用在体单细胞胞外记录技术，记录和对比了慢性吗啡暴露 和盐水对照组猫外膝体细胞的反应潜伏期，发现吗啡暴露组细胞比盐水对照组细 胞有显著延长的潜伏期( p o 0 0 1 ) 。为了进一步研究吗啡对外膝体不同类型的神 经元作用是否相同，我们根据不同分类标准把外膝体神经元分为o n 中心、o f f 中心、x 细胞、y 细胞、a 层、a 1 层和c 层细胞。吗啡暴露组和对照组相比，除 了c 层细胞有潜伏期延长的趋势但没有显著差异外，其他细胞都分别展示了明显 延长的潜伏期( p 0 0 5 ) 。这些结果暗示慢性吗啡给药后，视觉信息传递在早期的 视觉通路上就发生了延迟。 为了进一步研究慢性吗啡暴露是否影响外膝体细胞的反应变异性，同时也试 图寻找吗啡暴露使反应潜伏期延长的原因，我们采用和前人相似的分析方法 ( r e i n a g e la n dr e i d2 0 0 2 ) ，比较了吗啡暴露组和盐水组细胞的反应变异性。与 盐水组相比，吗啡暴露组细胞都有明显增大的变异性。基于反应变异性可能是影 响潜伏期的因素之一，我们对吗啡给药后增大的变异性和延长的潜伏期进行相关 检验分析，结果显示变异性的变化和潜伏期的延长有很好的相关性。慢性吗啡暴 露导致的反应潜伏期延长和变异性增大，很可能对高级皮层区域的功能退化起重 要作用。 关键词：吗啡；外膝体；反应潜伏期：反应变异性；猫 a b s t r a c t a b s t r a c t l a t e m lg e n i c u l a t e 叫c l e u s ( l g n ) r e c e i v e sv i s u a li n f o 肌a t i o nf 如mm er e t i n a g a n g l i o nc e l l s ，a n ds e n d sm o s tp r o j e c t i o n st op r i m a 可v i s u a lc o r r t e x i nt u m ，i tr e c e i v e s s t r o n gf e e d b a c kc o r u l e c t i o n s 行o mh 培h e rb r a i na r e a s i ti sn o tm e r e l yar e l a ys t a t i o n b e t w e e nt h er e t i n aa n dc o n i c a ja r e a s ，b u ta l s oa c o m p l i c a t e dm e m b e rt h a ti n t e g r a t e s n e u r a li n f o 姗a t i o na n dp l a y sa ni m p o n a n tr o l ei nv i s u a li n f o 姗a t i o np r o c e s s i n g a r i c hd i s t r i b u t i o no fo p i a t er e c e p t o r sh a sb e e no b s e r v e di nv i s u a ls y s t e m so fr a t s ，c a t s a n dm a c a q u e s t h e r e f o r e ，i ti s s u g g e s t e d 也a tv i s u a ls y s t e mi ss u b j e c tt oo p i a t e m o d u l a t i o n p r e v i o u sr e s e a r c h e sh a v es h o w nt h a tc h r o n i cm o 印h i n ee x p o s u r er e s u l t s i na d e g r a d a t i o no ft h ef u n c t i o n a lp r o p e r t i e so fc o r t i c a lc e l l s 。h o w e v e r ，l i t t l ee v i d e n c e h a sb e e nr 印o n e da b o u tt h ei n n u e n c eo fm o 印h i n eo nt 1 1 et e m p o r a lp r o p e n i e so ft h e v i s 嘲ls y s t e m i nt h ew o r k ，w ec o m p a r e dt h ev i s u a lr e s p o n s el a t e n c yo fd i f f e r e n tc e l i so ft h e l a t e r a lg e n i c u l a t en u c l e u si nm o 印h i n e a n ds a l i n e - t r e a t e dc a t s w ef o u n dt h a tl g n n e u l 旧n si nm o 印h i n e t r e a t e dc a t se x h i b i t e ds i g n i f i c a n t l yl o n g e rr e s p o n s el a t e n c yt h a l l t h o s ei ns a l i n e t r e a t e dc a t s ( p 0 0 0 1 ) t oi n v e s t i g a t ew h e t h e rd i f i f e r e n tt y p e so f n e u | 的n sh a v es i m i l a rc h a n g e si nm o 印h i n ee f f e c t s ，w ec l a s s i f i e dl g nn e u r o n sa so n - a n do f f - c e n t e r ，xa n dy ，l a y e ra ，a1a l l dcn e u r o n s l a y e rcn e u r o n ss h o w e da t e n d e n c yt ol a t e n c yp r o l o n g a t i o n ，a n do t h e rn e u r o n se x h i b i t e ds i g n i f i c a n t l yl o n g e r l a t e n c yi nm o 印h i n e t r e a t e dc a t s ( p 0 0 5 ) t h e s en n d i n g ss u g g e s t e dt h a ti n f o 肌a t i o n t r a n s f e rw a s d e l a y e d i nt h e e a r l i e rv i s u a l p a t h w a yb y c h r o n i c m o 印h i n e a d n l i n i s t r a t i o n t o i n v e s t i g a t e w h e t h e rc l l r o n i c m o 印h i n ee x p o s u r e i n n u e n c e s r e s p o n s e v a r i a b i l i t y ，a n de x p l o r et h ep o t e n t i a lr e a s o no fl o n g e rl a t e n c y ，w ec o m p a r e dt h e v a r i a b i l i t yo fl g nn e u r o n si nm o r p h i n e a n ds a l i n e t r e a t e dc a t su s i n gt h es i m i l a r m e t h o d so fr e i n a g e la n dr a i d w ef b u n dl g nn e u r o n se x h i b i t e ds i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dv a r i a b i l i t ya r e rm o 印h i n ea d m i n i s t r a t i o n i ti sk n o w nt h a tv a r i a b i l i t ym i g h t a f f e c tr e s p o n s el a t e n c yo nt h ev i s u a lp a t h w a y t h e r e f o r e ，w es t u d i e dt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e ni n c r e a s e dv a r i a b i l i t ya n dp r o l o n g e dl a t e n c y ，a n dt h i ss t u d ys h o w e dt h e c h a n g eo fv a r i a b i l i t ym i g h tc o n t r i b u t et od e l a y e dr e s p o n s ea c c o m p a n i e db ym o 印h i n e i n c r e a s e dv a r i a b i l i t yt o g e t h e rw i t hp r o l o n g e dl a t e n c ys h o u l dp l a yi m p o r t a n tr o l ei n 如n c t i o n a ld e g r a d a t i o ni nc o r t i c a la r e a sa r e rc h r o n i cm o 印h i n ee x p o s u r e i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 戏。年月f 日 第l 章 1 1 外膝体研究综述 第1 章绪论 外侧膝状体( 1 a t e r a lg e n i c u l a t en u c l e u s ) 是丘脑的一个感觉中继核团。它从 视网膜神经节细胞直接接收视觉信息，并大部分投射向初级视皮层，是中枢神经 系统视觉信息的“初级处理器”。反过来，视皮层通过直接的兴奋性连接和间接 的抑制性连接，也反馈调节着外膝体的反应模式。外膝体参与了一些重要的信息 加工，如中心周边拮抗，方位、方向选择性等。 1 1 1 分层结构( 1 a m i n a ra 盯a n g e m e n t s ) 猫外膝体有六层层状结构，它们被h i c k e ya n dg u i j l e d ，分别命名为a 、a l 、 c 、c l 、c 2 、c 3 层( h i c k e ya n dg u i l l e r y1 9 7 4 ) 。它们堆叠在视网膜拓扑输入的入 口，所以一条经过它们的垂线代表了视觉空间的同一区域。人们对a 和a 1 层有 最多的认识，比如它们分别代表了一只眼睛：而对c 层了解甚少，有限的认识 是关于它对视剥夺的反应。外膝体层状结构内侧的细胞群也是视网膜到视皮层直 接的中继站，代表单独的视觉区域。这是内侧层间核团( m e d i a li n t e r l 咖i n a r n u c l e u s ) ，也是背侧外膝体的一部分。g u i l l e 巧等人还提出外膝体的另一部分， 外膝体翼( g e n i c u l a t ew i n g ) ，它从内侧层间核团到枕核( p u l v i n a r ) 喙状突起向内 和背侧延伸( g u i l l e r ) ，g e i s e i r te ta 1 1 9 8 0 ) 。 1 1 2 外膝体细胞分类 中间神经元( i n t e m e u r o n ) ：外膝体细胞的分类源自v o nm o n a k o w ，他认为自 己在猫外膝体的背后部发现了中间神经元。这个区域的外膝体细胞接收视网膜输 入，但在皮层受损后没有逆行的退化。人们后来认为这部分核团投射向视皮层最 难到达的部分，这部分皮层并没在m o n a k o w 损伤的范围里。这些实验现在很难 被重新解释，但中间神经元仍很难依据阴性结果判断其类型。形态学上划分中间 神经元的方法通过山葵过氧化物( h i 冲) 注入视皮层，然后逆行标记外膝体胞体。 在大范围皮层注射后，外膝体胞体仍没有被标记的是中间神经元。研究结果中， 它的比例很大程度上依赖h r p 方法而变化，有小于1 0 的、有2 0 的、也有2 5 的。 第l 章 6 、x 细胞易于对合适的对比度刺激，也就是对于o n 中心细胞中心的亮斑或 。萍中心的暗斑，发生比y 细胞更多的t o n i c 或持续的反应( c l e l a n d ，d u b i ne ta 1 1 9 7 1 ；h o 倚n a n n ，s t o n ee ta 1 1 9 7 2 ) 。y 细胞对这样的刺激大概几秒钟就停止反应， 但x 细胞会反应2 0 秒或更多。这种不同似乎仅支持黄昏黎明的照明度情况，并 且也存在很多反例。 以上这些性质对网膜和外膝体的x 、y 细胞都适用。关于两者间一些精细区 别还没被察觉。 yc e i l 图2 猫外膝体a 层中x 、y 细胞和中问神经元的重构图。 1 1 4 外膝体细胞的区域和投射 外膝体w 、x 、y 细胞的区域和投射：不同细胞类型在外膝体中并不是一致 分布的( w i l s o n ，r o w ee ta 1 1 9 7 6 ；心a t z ，w e b be ta 1 1 9 7 8 ) 。a 层既包括x 细胞，也 包括y 细胞。当通过这些层的中侧面时( 即从感受野一个比较中间的到一个比 较周边的代表) ，y 细胞对x 细胞的比例会增加，这大约是网膜中这种趋势的 简单反应。c 层尽管有少数x 、y 细胞存在，但它多包含w 细胞。有证据认为c 层x 和y 细胞被限制且c 层腹侧的c 1 3 层只有w 细胞( w i l s o n ，r o w ee t a l - 1 9 7 6 ) 。在内侧层间核团中绝大多数是y 细胞，仅有少量的w 和x 细胞。尽管 没有关于外膝体翅的记录，形态学研究认为w 细胞投射到这里，x 细胞也有可 能( l e v e n t h a l ，k e e n se ta 1 19 8 0 ) 。 第l 章 他神经区域发现。类型l 细胞有大的胞体，没有c 咖p l a s m i cl 锄i n a t e db o d y ，看 起来和g u i l l e 巧形态1 细胞一样。类型2 细胞有中等大小的胞体，一个c ”o p l a s m i c l 锄i n a t e db o d y ，可能和g u i l l e d r 形态2 细胞类似。类型3 细胞有小的胞体，没有 细胞质结构，看起来和g u i l l e 巧形态3 细胞相似。l e v a y 和f e r s t e r 利用几条直接 证据会聚到一条主线：类型1 细胞是y 细胞，大概包含a 层神经元的3 3 ；类 型2 细胞是x 细胞，大概包含4 0 ；类型3 细胞是代表约神经元2 5 的中间神 经元。 f r i e d l a n d e r ( f r i e d l a n d e r ， l i ne ta 1 19 7 9 ； f r i e d i a i l d e r ， l i ne ta 1 19 81 ) 和 s t a n f o r d ( s t a n f o r d ，f r i e d l a n d e re ta 1 1 9 8 1 ) 等分别采用一种结构功能直接方法，描 述了a 层和c 层中w 、x 、y 细胞的形态。他们采用包含h r p 的微管胞内记录 并用电离子透入办法确定了w 、x 、y 细胞，提供了每种功能特殊的神经元的详 细形态学图片。尽管每种功能分类都有形态学的不同成分，特定的结构属性仍能 被列入这些细胞。 y 细胞在a 和c 层中存在，他们有大的胞体( 平均代表性的区域是4 9 0u n 也，值域是2 3 8 9 3 5um 2 ) 。每个都有厚的、十字形的树突，且附枝少。树突 分支粗略呈辐射对称，部分穿过层间边界。x 细胞只在a 层存在，它们有小一 些的胞体( 平均区域2 1 9um 2 ，值域是6 8 4 2 0um 2 ) 和很精细的蜿蜒的树突， 通常有很多复杂的附枝。多数x 细胞树突分支的方向垂直于层间边界，且通常 被限于一层。x 细胞的胞体大小一定程度的和y 细胞的重合。w 细胞仅在c 层 存在，有小的胞体( 平均区域1 8 8 um 2 ，值域7 5 3 2 2 um 2 ) 。多数w 细胞的精 细树突多多少少会和层间边界平行，一些w 细胞有复杂的树突附枝。很多方法 中w 细胞和x 细胞根据冠状面旋转9 0 度相似。 f r i e d l a n d e r ( f r i e d l a n d e r ，l i ne ta 1 1 9 8 1 ) 等用尼氏染色材料中的a 层里h i 冲填 充细胞比较胞体的大小分布，进一步得出两条结论。第一，胞体大小没有电生理 采样偏差，他们总结到a 层中x 细胞比y 细胞大约是3 比2 。这个比例比通常 认为的网膜中的比例5 1 0 ：1 小多了，这使f r i e n d l a n d e r 等认为y 细胞数相对增 大来源于网膜到外膝体联系的发散关系。第二，所有h r p 填充的细胞实质上被 证实是中继细胞，h i 冲和尼氏胞体大小分布的相似性提示了，即使有、也只是 很少的中间神经元的存在。 视网膜外膝体视皮层通路的功能结构 1 、串行并行处理： h u b e l 和w i e s e l 对网膜- 夕 膝体视皮层通路的功能结构提出了一种串行处理 理论。简单的说，他们认为一幅视觉场景的信息处理由单独的神经链构成，从网 膜到外膝体到、并穿过1 7 区这样呈一种上升的层级。随层级的上升，每条链靠 7 第l 章 获得神经元活动的更多复杂的刺激构造而提取信息。由最高层级活动的模式中， 大致可以推测视觉刺激。因此同源的网膜神经节细胞群传递到类似同源的外膝体 神经元群，再投射到皮层简单细胞，依次再投射到复杂细胞、超复杂细胞等。 这种简单且有力的假设很大程度由感受野特性推断而来。但不是所有皮层反 应性质都能被这种简单的层级理论解释，一些感受野性质看似与串行处理模式的 解释矛盾。例如，复杂细胞通常对一些刺激参数发放活跃，如很快运动的目标、 随机点噪音，这些不能有效激活简单细胞。s i l l i t o 也在单细胞记录中局部电离子 透入荷包牡丹碱( b i c u c u l i i n e ) ，一种g a b a 拮抗剂，使所有简单细胞和很多复 杂细胞的方向选择性大大下降或消失。后来他也证实了b i c u c u l l i n e 使很多复杂细 胞的方位选择性消失。因为b i c u c u l l i n e 的应用有效的隔离了细胞的兴奋输入，他 推断很多复杂细胞必须接受没有方位、方向选择性细胞的兴奋输入。 串行处理的解释有一个更基础的问题：它忽略了w 、x 、y 细胞和它们通路 的存在。当然这也不使人惊讶，因为h u b e l 和w i e s e l 是在这些细胞类型和通路 被识别前提出的这个理论。一个更复杂的问题是，1 7 区细胞类型怎么与外膝体 皮层细胞类型相联系? 为了解答这个问题，s t o n e 和他的同事们提出了并行处理 模式。这种模式认为w 、x 、y 细胞代表了三条并行的、相对独立的通路，到且 通过17 区，从而使每个皮层神经元都是这些链的节点。每条通路可能并行地处 理视觉场景的一些不同方面，并结合一些神经位点分析视觉输入。 多数并行处理模式的证据来源于外膝体视皮层输入传导速率的测量。同一 刺激下，接受两个或更多传入位点的、一个皮层细胞反应传导潜伏期的不同，通 常被用于判断是否由w 、x 、y 细胞提供输入。因为这些细胞的轴突拥有不同传 导速率。多数研究集中在x 细胞和y 细胞的输入，因为外膝体w 细胞后来被辨 别，它们代表外膝体到1 7 区输入的少数，它们到皮层的单突触输入传导慢，这 些难以与包括快传递的x 、y 细胞多突触通路区别。 这种方法首先由h o f f m a n 和s t o n e 、s t o n e 和d r e h e r 采用。他们推断简单细 胞接受x 细胞输入，复杂细胞接受y 细胞输入。很多复杂细胞接受外膝体y 细 胞来的单突触输入这一观点很清楚，这一点与串行处理的解释相反。后来b u l l i e r 和h e n r y 修正了上述模式，从而加强了并行处理的论据。他们推断皮层1 7 区神 经元仅从w 、x 、y 通路之一接受输入，很少或不混合，复杂细胞倾向于是y 细 胞通路的部分而简单细胞既接受x 也接受y 细胞输入。这些作者发现很多复杂 细胞是外膝体输入的单突触、很多简单细胞不是单突触驱动的。电生理刺激数据 显示简单和复杂细胞在皮层层级中的位置没有明显区别。w 细胞通道中的细胞 很少或难于被辨别。 2 、不同细胞类型的功能任务： 8 第l 章 另外关注的问题是这些不同细胞类型和通道在视觉功能中的作用。 a 、串行处理。串行处理模式的功能关联相对简单。随层级的上升，细胞对 刺激参数的选择性增加。因此在最高等级的活跃细胞的模式，足以为视觉场景提 供证据。 b 、w 、x 和y 细胞。并行处理的理论认为每种细胞和通路对视觉场景不同 成分进行相对独立和并行的分析。最难处理和难以分配特殊功能的是w 细胞的 外膝体视皮层通路。w 细胞的研究很少，w 细胞似乎对多数时空刺激相对不敏 感。因此关于这些并行通路功能作用的理论多数集中在x 和y 细胞。 关注x 、y 细胞作用的一些理论，或多或少来自于它们感受野特性的不同。 最基本的区别在于x 细胞分析空间图形或外形，y 细胞分析时间图形、是闪光 敏感性的原因。x 细胞看似非常理想的适合于空间分析，因为它们相对有持久的 线性的反应，感受野小，优先对静止的、运动慢的目标反应。y 细胞看似也非常 适于时间分析，因为它们有较瞬时的、非线性的反应，感受野大，对快的运动敏 感。第二个区别在于y 细胞包含于凝视功能中，靠头和眼睛的运动来使感兴趣 的目标处于感受野中央，而使x 细胞进行更详细的空间分析。第三种区别通常 认为是x 、y 细胞功能不同。这基于外膝体x 、y 细胞对比敏感度的功能。这些 功能绘制了不同时间、空间频率范围中，正弦刺激诱发反应的对比度阈值。x 、 y 细胞的主要区别在于低空间频率的敏感度：x 细胞对这样的刺激相对不敏感， 而y 细胞反应很好。相对这一点，尽管多数x 细胞对稍高的空间频率比多数y 细胞好、对时间频率反之也是，时间敏感性和空间分辨率的区别较小。一些心理 物理研究显示低空间频率足以辨认空间图形。事实上，去除高空间频率的图形可 以被很好识别，只丢失精细的细节。基本的空间信息由低空间频率携带，高频率 加上细节。y 细胞比x 细胞对低空间频率更敏感，y 细胞可能用于外形的基本 的空间分析，而x 细胞对其他空间参数发出信号，例如精细细节、立体观测等。 有一些猫皮层损伤的行为学研究和这个观点一致。去除1 7 区和1 8 区的一部 分、其他皮层损伤达到最小，会造成x 细胞通路很少或没有皮层代表，而很多y 细胞投射完好。一个只有轻微视锐度损失的动物显示了极好的图形识别。可能大 脑中y 细胞的代表区域可以广泛的做空间图形分析，而x 细胞不能。这种结果 和y 细胞在空间图形分析中起主要作用的猜想一致。 另外，p a l m e r 等发现x 细胞比y 细胞平均每个峰中编码的信息少( k u m b h a l l i ， n o l te ta 1 2 0 0 7 ) ，这提示两种细胞可能采用了不同的编码算法。这可能是x 细胞 发放数的信息少，而不是发放的时间关系编码少。为验证这个假设，他们比较了 接受和不接受时间关系情况下发放序列间的共同信息，发现当允许时间相关时， x 细胞反应每秒钟多编码了1 6 的信息而y 细胞只多编码了7 。后来他们又发 9 第l 章 现x 细胞编码效率显著小于y 细胞的编码效率。x 细胞的2 2 编码效率和o 2 8 信噪比一致。一个可能解释是y 细胞可能发放更多b u r s t 模式。用每个活动所有 发放计算的y 细胞时间的变化比仅用第一个发放计算的大3 0 。y 细胞的活动 窄、平均包含很多发放，提示了y 细胞可能显示了b u r s t 发放。 1 1 6 外膝体神经元图谱 外膝体神经元可以为研究丘脑核团提供很好的模型。外膝体神经元被视为从 视网膜到初级视皮层第一级中继站。过去三十到四十年里，外膝体中继的复杂细 胞和环路特性被定义，而且认为丘脑环路必然联系到非常重要的功能。而外膝体 中继细胞仍跟从前研究类似。g l e e s 和l eg r o sc l a r k l 描述了猕猴视网膜- 夕 膝体 来的轴突终末和外膝体神经元一对一的关系，认为只是一种简单的视觉信息的传 递。现在我们知道这是错的，事实上这其中的突触关系非常复杂，到中继细胞的 突触绝大多数不来源于网膜。但当网膜和皮层细胞感受野被区分定义时，外膝体 神经元被认为是简单的机械的传递。起初在麻醉动物里，随突触层级升高感受野 越来越精巧，只有视网膜- 夕f 、膝体突触明显例外：中继细胞的中心周边感受野和 它们的网膜输入本质上一样。所以在上世纪7 0 年代到9 0 年代人们错误认为外膝 体没有什么研究意义。但我们可以问，为什么要有外膝体传递? 为什么网膜轴突 不直接到视皮层? 或只是为什么要有外膝体? 即使在研究外膝体兴趣较多的今天，外膝体没有更精致的感受野不能作为外 膝体没作用的证据，倒是一些不同的、但重要的功能在这里发生。即在视觉通路 上这是关键的突触，做了感受野精细化之外的事：外膝体环路被包含进一个吸引 人的动态的模式，大量信息及信息的本质被传递到皮层。早期研究没有认识到这 一点，可能是因为这些功能很依赖动物的行为状态，并在麻醉动物中被抑制。依 赖动物行为状态的动态控制可被认为是v i s u a l 甜e n t i o n 很多形式的神经基础。 对仍认为外膝体不过是简单中继站的人们来说，外膝体结构的复杂性无疑让 人惊讶。这一核团有精细的层状结构、视觉空间良好的拓扑代表、它的环路包含 几种细胞类型、很多不同的输入群、复杂的突触关系。 至今研究的所有物种外膝体对侧的半视野都有很精确的图谱，视觉系统也像 其他感觉系统一样绘入中继细胞。图3 示意了猫的外膝体图谱。每一层对应对侧 半视野所有图谱通过不同层排列起来。因此视觉区域的每个点可以用一条线表 示，垂直于所有层。这些图谱的精确排列，对应了一只眼睛鼻侧网膜穿过不同层 的输入和另一只眼睛颞侧网膜的输入，在所有物种中都是如此。考虑必须造成这 种匹配关系，且在睁眼、两个视觉图像叠加前形成的发育机制，有些让人惊讶。 并且也有非网膜输入的轴突激活了外膝体细胞，且它的终末归到了投射的线中。 l o 第! 蔓 錾孤烘艘研錾明一锩燮路基掣全晷。翼一掣篇；拍簖酏基孺羹刊篓需囊朋薄冀 茎耋囊羹荔冀鐾：至至至茎季萋薹薹喜差。主霉善二一| | | | 一羔二；o 篓蓁霎 薹耋囊二誊爹薹0 鬻攀名篓暑蓁姜霎? 季专参薹雾鐾篷誊霎喜箩垂垂 重量至重甄蠢荔雾鼙羹篓羹；囊蚕甄霹篓妻鐾囊霎羹震篓冀雾羹雾蠹矍鍪蓁薹萋 雾瞄雾发至灶型怪砦爱翟墓熏= 箭翁型羹篓罄鍪孚薹塑型謦薜理经器刚囊吟阑 嘭墨耋? 复的鱼誓鬣啐顶写弦塑；蓄塑蓄径璧； 画莅不釉绺菁徭巍醑罹；涟蠕7 型汽耐j 黼公篮耋世眵羞心亚羁押筵掰 够霉舔馏撬签墨。竿在爨蓠群始i 葡囊传藿铂羹。薹蚕裂爵始纛薹i 瓠期刮绺； 磊翁营篓两南拳手富粥莽；睡凯g 截蒂氍新；蓍瓤蒂抓戮耕；簿氆豢繇洲翳篓荔 蒸蓁型副i 黔稚：鬟判室曼整群坐型型白靼蚓鳗落蓥蒂“戮篓掣怪；络嗣穗蝠要 晶霎海基蓠稀声珀韵影，蓁墙铡；赫弼罾蓁篓萝萌蓟渤雨彩副荔摹纽菇前，菇 法菱碰鲤零婪喘翌盆型需焉篱i 塞蓠薹霎荩奏耩孺诵臻冶霸臻潍j 样表示恒常 的感冀辑焦瞩。 耋i 蚕蓁鋈囊震季篓薹鐾 垂蓠葭雾菇蚓雾墓薹癣辩蓁蓁囊魏i 蠹捌篓霆耋雾雾骥震i 征薹p 蓁弦蓁 小巍靡勤鐾羹影饔鄂誉甄瓤冀蓁茫羹痢勘剥百莓个囊! 萎雾旃萌静鞴薹攫撅 猎冀哥掰蓁酏驺溺鹫街哿例零麓i 蹲罐闻! 垒坠? 些雩治埘混塑萋掣鍪叼黍： 嘲霪i 泓醣羹慝垦震喱噻薹薹妒蚴酗醛齐u 露；i 鑫，醪蠡；i 薹致屏倦= 蓁玛；踊一 强霉麴种性质前环兽瓣j 缓囊菱墓福籍套篓嚣雾入耋再丽菰甜替涮；型薯静蒌 潍漤骝撂骋翟魄囊疆嚣鬟薹鬓餮前戳葫葫；嘲 ! 霉霉雾摹 ；霪萋鬟i 鬻羹耄i 耋i i 蓍叁叁奏i ， ! ：摹；蓁餐羹箨囊丽萋霎型黍毓后羹醚娶 配蓁崦 x 第l 章 应。由不确定的突触连接起来的神经环路，即使由不变的信号刺激，也自然会产 生时程和频率变化的峰值。 神经反应的变异性和它对信号处理的重要性在哺乳动物视觉系统中得到了 详细的研究。不同的视觉结构间变异性的不同显示，网膜神经节细胞反应相对可 靠，而皮层细胞更具变化性。这种变异性的增加对于皮层的计算有重要的含意， 但它的精确性质和起源仍没有很好的研究。 神经发放序列的变异性通常由泊松过程期望的变异性决定。泊松过程中，每 个事件发生都有固定的概率，独立于其他事件的发生。对于一个泊松过程，一定 数目的事件的变异性计算进一定等长时程间隔，等于不同间隔的平均数。对于神 经元反应，这种数目分布的变化通常和平均数成比例，这个恒常比例即f a n o f a c t o r ( f ) ，对于泊松事件序列正好等于l 。如果f 小于l ，数目分布的变异性 小、可靠性大，反之：；c | i 然。 k a r a 和同事们首次报道了同步记录网膜、外膝体、初级视皮层第四层的反 应变异性对比。他们把电极放在上述三个结构中，用一个移动的正弦光栅刺激所 有记录的细胞，同时测量它们的反应。他们的实验证明了早期大家的感想：反应 变异性从网膜到皮层逐渐增加。网膜神经节细胞中f 很小，而在随后的阶段大约 加倍。尽管变异性增加，k a r a 等认为皮层神经元的f 值仍小于l 。不过之前、之 后很多学者认为皮层神经元f 值远大于1 ，这一结果并不一致。可能的考虑包括 k a r a 等在第四层简单细胞中记录的。这些神经元可能通过不寻常强度和可靠的 突触从外膝体接收直接的很强的输入，这使得它们的发放比其他受皮层间环路驱 动的神经元( s h a d l e na n dn e w s o m e1 9 9 8 ) 变异性小。之前只有一个研究报道了这种 皮层细胞反应的变异性低( g u r ，b e y l i ne ta 1 19 9 7 ) ，但他们的多数数据也来自初级 视皮层第四层。其他记录了所有层细胞的研究通常显示f 值在l 到2 间。这个值 在麻醉动物中比在清醒的行为动物中略高。 k a r a 和他的同事们试图解释这一结果，他们提出的解释基于神经元发放序 列的s p i k ec o u n t 和i n t e r s p i k ei n t e r v a l 分布的关系。这一个泊松事件序列中，连续 事件的时间间隔呈指数分布。在一个特定时间间隔中的、数目分布的不规则直接 来源于发放事件的不规则。 k a r a 等的结果显示感觉刺激下中央神经系统反应比周边系统的神经元更多 变。他们也证实至少有一些皮层神经元相对可靠。高级皮层区域的反应变异性可 能不同于初级感觉区域的变异性，不同区域变异性的不同的内在机制仍需研究。 其他一些研究证明视皮层的神经元群的自发放和诱发放显示了很强的协方 差。这提示反应变异性来自高度联系的网络中非任意的、相关的作用，自发活动 对神经元反应强度有很大影响。a r i e l i 等后来证实反应强度和刺激前自发活动水 1 2 第l 章 平阃的线性关系。这种效应来自于自发活动中突触输入对皮层神经元膜电位的很 大波动( p a r e ，s h i n ke ta 1 1 9 9 8 ) 。 尽管感觉刺激产生的反应有很大波动，皮层神经元也能显示很高的可靠性和 时间上的精确模式。在体记录的神经元发放序列能展示精确地重复模式( d a y h o 妇 a n dg e r s t e 诘1 9 8 3 ) ，达至 j 毫秒精确的同步发放( s i n g e ra n dg r a y1 9 9 5 ) ，随很快变 化的刺激输入有很高时间的保真度( d er u ”e rv a ns t e v e n i n c k ，l e w e ne ta 1 1 9 9 7 ) 。 自发活动的波动间怎么产生这种时间精确性? 体外研究证实皮层神经元对宽带的膜电位显示出时间上的精确发放序列 ( m a i n e na n ds 皇i n o w s k i1 9 9 5 ) 。最好的保真度发生在早于超极化电位的去极化电位 所驱动的发放。这种形式可能通过瞬时的降低去活化和快速增加电压门控钠通道 的活化速率，而增强动作电位的时间精确性。这提高了反应对快速膜电位波动的 敏感性，提示了发放模式不同的两种来源。第一，皮层神经元显示了动作电位阈 值和膜电位波动的时程变化，这种变化可能是发放变异性的来源之一( s c h w i n d l a n dc r i l l1 9 8 2 ：h e c k ，r o 犍e re ta 1 1 9 9 3 ) ；第二，对快速膜电位变化的敏感性提高， 暗示皮层神经元发放模式对由同步突触输入产生的膜电位的高频率波动量级是 敏感的( j a g a d e e s h ，g r a ye ta 1 1 9 9 2 ) 。两个报道反应变异性和同步的突触传入变化 相关的研究支持这种推测( s t e v e n sa n dz a d o r l 9 9 8 ；z a d o r l 9 9 8 ) 。 反应变异性的另一个来源可能来自皮层神经元的内部的膜性质。关于皮层神 经元对同一电输入反应不同的发放模式已经很好的建立( g r a ya n dm c c o 肌j c k 1 9 9 6 ) 。反应模式由分布在神经元胞体和树突的电压门控电导率的类型、密度和 动力学决定( j o h n g t o n ，m a g e ee ta 1 1 9 9 6 ；y u s t ea n dt a n k1 9 9 6 ) 。因此，一个细胞的 膜电位不仅是由突触输入模式决定的，而且还由激活且通过电压门控通道的电流 模式决定的。因此，起源于突触输入波动的膜电位的任何变化都可能被向胞内的 电压门控电流放大。 有研究认为反应变异性的程度应由四种机制解释，即：第一，自发突触活动 引起的膜电位的变化；第二，变动的电压门控电导引起了穿透膜性质的不同；第 三，刺激诱发的膜电位高频波动量级的变化；第四，动作电位阂值的变化。 反应变异性限制了感觉系统的可靠性和分辨率( t o l h u r s t ，m o v s h d ne ta 1 19 8 3 ； v o g e l s ，s p i l e e r se ta 1 1 9 8 9 ) 。尽管大致认为反应变异性在视觉系统中随皮层等级 升高，变异性的原因并不是特别清楚。反应在麻醉猴皮层下结构网膜( c o n e r ， p u r p u me ta 1 1 9 9 3 ) 、外膝体( e d w a r d s ，p m p u r ae ta 1 1 9 9 5 ) 的变化都比较低，且这 种变化不随反应强度有多大增加。这些结果暗示外膝体到v 1 的变化，可能是大 部分反应变异性发生的地方。 第1 章 发放序列中变异性的量级、或者说噪音是一个很重要的研究课题，因为它制 约了神经元传递信息的能力、从而又塑造了神经系统中信息处理的模型( s h a d l e n a n dn e w s o m e1 9 9 4 ) 。有一些研究报道皮层反应变异性很大( t o l h u r s t ，m o v s h o ne t a 1 1 9 8 3 ；v o g e l s ，s p i l e e r se ta 1 1 9 8 9 ；e d w a r d s ，p u r p u r ae ta 1 1 9 9 5 ) ，而也有结果显 示眼动很少的行为状态v i 细胞反应变异性和外膝体细胞相似( g u r ，b e y l i ne t a i 1 9 9 7 ) 。眼动的鉴定是清醒动物反应变异性的一个重要来源，暗示了麻醉动物中 的变异性有不同机制。 在早期视觉通路，神经元反应通常由发放率衡量。这种方法利于我们理解视 觉神经元感受野、刺激和反应的关系，并没有考虑神经元可能用的编码模式。后 来研究者探索了网膜( c h i c h i l n i s k ya n dk a l m a r2 0 0 3 ) 、外膝体( d a n ，a t i c ke ta 1 1 9 9 6 ) 和初级视皮层( m a i n e na n ds e j n o w s k i1 9 9 5 ) 的发放序列的高阶参数。这些研 究有在体的也有体外的，证实确定、可靠、信息速率的测量提供了对细胞反应的 更深认识。但很难横向比对这些研究，因为刺激模式不同且反应是刺激依赖的。 r e i n a g e l 和r e i d ( r e i n a g e la n dr e i d2 0 0 0 ) 的一份研究显示，猫外膝体神经元对空 间同源的亮度很快且随机变化的刺激，呈高时间精确可靠性的发放。他们也发现 对刺激的反应在同细胞类别( 比如所有o n 中心的x 细胞) 中高度保守，提示了 在这些情况下，丘脑对第四层简单细胞的输入是高度同步的。但是，第四层简单 细胞由空间同源的刺激引发的兴奋抑制的大致平衡而对刺激反应，这不可能是先 验的。 为了比较外膝体中继细胞和他们在第四层简单细胞的靶点的发放序列， p a l m e r 等用了r e i n a g e l 和r e i d 发放中时间的丰富性，修正了刺激的空间性质增 加皮层细胞反应的可能性( k u m b h a n i ，n o l te ta i 2 0 0 7 ) 。对l g n 和皮层细胞都使 用一个伪随机的、对比度调制的g a b o rp a t c h 刺激，从而测量和对比外膝体和简 单细胞发放序列的精确、可靠和信息内容。他们发现第四层简单细胞和他们基本 的丘脑输入( 外膝体x 细胞) 差不多精确、但不那么可靠，且这种精确比由外 膝体输入同步活化估计的要大。他们也计算了细胞的信息理论含量并发现：第一， 简单细胞比外膝体x 细胞每秒钟编码的信息少；第二，简单细胞不像外膝体细 胞那样用时间模式编码信息；第三，简单细胞比它们的主要输入更有效的利用它 们全部的信息量。外膝体y 细胞比x 细胞和简单细胞的发放序列都显示了更好 的精确j 可靠和信息速率。因为y 细胞倾向于有较短的不应期和更高的时间频 率分辨率，所以这个结果并不让人惊讶。之前也有研究证实神经元反应的精确和 可靠与不应期相关。尽管不应期可能通过使反应更规则来对神经元输出的精确性 起很大作用，但不可能解释为什么用y 细胞的平均活动的第一个峰值计算出来 的精确性比x 细胞的好。很多事件被大于估计的不应期的失活期分开，所以不 第1 章 应期不可能提高第一个发放的精确性。另一方面，用平均活动中所有发放计算的 l g n 的精确性，也不可能由不应期提高。外膝体y 细胞活动比x 细胞平均包含 更多发放。由于不应期提高了峰间时间的规则性，y 细胞比x 细胞显示了更好 的反应精确性并不让人惊讶。不过之前有很多外膝体反应的模型认为不应期对神 经元反应的可靠性起重要作用。有可能因为x 细胞比x 细胞有更长的不应期恢 复函数，导致了x 细胞发放率低、可靠性也低。 反应变异性影响潜伏期。在本文实验部分，我们之所以研究慢性吗啡暴露对 猫外膝体潜伏期、变异性的作用，及两者的关系，就是因为这一原因。具体说来， 潜伏期受几种因素的影响，如轴突传导速度、突触整合效率、动作电位起始和反 应变异性。例如，增加的反应变异性可能影响突触传递的时间整合，导致突触后 神经元反应潜伏期延长。另一方面，潜伏期的计算也依赖于反应的再现能力。外 部刺激诱发的发放序列越多变化，达到p s t h 峰所需的时间就越长，从而能观察 到潜伏期延长。 1 3 吗啡成瘾研究综述 阿片受体属于g 蛋白偶联受体家族，具有7 个跨膜结构域。大多数己知的 神经递质和激素的作用都是由g 蛋白偶联受体介导的。阿片受体能够被内源性 的阿片肽以及外源性的阿片药物( 如吗啡) 激活。基于药理学和生理学的研究， m 矾i n 及其同事首先分类了三种阿片受体“、6 和k - 5 可片受体，同时，每一 种又能被分成几个亚类。不同的受体