（动物学专业论文）图像形状刺激对猫视觉皮层内源性信号光学成像的影响及其机制的研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 i m a g e so fd i 腩r e n ti n d i v i d u a la r e 1 i 佰 r c i l t t l l i sr e v e a l s l a t 圮m d i v i d u a lm a k e sa r 印o n s eb yf i l t m t i n gt l l es t i i l l u l a t i n gs i g n a l sb 嬲e do nm e i ro j ni i l t e n l a lf k t o r s t h e d i f f 研 c e so fr e a c t i o no fd i f 3 f 打e i l ti n d i v i d u a lc 姐 tb ec h a i l g e db y j u s t3w e e l s i n t e n s i v e 仃a i l l i i 培 k e yw o r d s o p t i c a li i i l a g i l l g g e n e r a l 觚e s t h e t i c s 王啊m a 巧v i s u a lc o r t e x s t i m u l a t eo f i l l l a g e c a t s c a t e g o r yn u m b e r q 4 3 6 符号说明 英文缩写英文全称 c t c 0 m p u t 舐z e dt o m o 鲫h y e e g e l e c t r o e n c e p h a l o 伊姗 g a b a g 锄m a 锄i n o b u t 如ca c i d m r j m a g n e t i cr e s o n 舭c eh n 画n g 缸u f u n c t i o n a lm r i p e t p o s i 仃0 ne l l l i s s i o nt o m 鲫h y v lv i s i o n1 v 2 s i o n 2 v 4v is i o n4 中文名称 x 光计算机断层扫描 脑电图 y 氨基丁酸 磁共振成像 功能型磁共振成像 正电子发射断层成像术 第一视皮层 第二视皮层 第四视皮层 7 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 注 如没有其 他需要特别声明的 本栏可空 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签名 菩巳邑 别程字始诲刈刃彳叼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解出丕垭堇太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权出壅堙菹太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 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 位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 毒坠迳一 签字日期 2 0 0 譬年占月9 日 导师签字 签字日期 2 0 0 莎年乡月f d 日 山东师范大学硕士学位论文 图像形状刺激对猫视觉皮层内源性信号 光学成像的影响及其机制的研究 中文摘要 内源性信号光学成像技术经过十多年的研究与完善 已经成为脑认知科学中一 个极为重要的研究手段 该技术是以动物视皮质表面受到视觉信号刺激时 神经元 活动产生的生物电 氧合血红蛋白及二氧化碳含量的变化 作为内源性信号 这些 内源性信号的变化伴随着相关的光学变化 用光敏电荷耦合器件摄像机 将整片脑 区中的兴奋区域和相对不兴奋区域记录下来 并用计算机图像处理技术区分出来 显示在二维平面上 该技术具有灵敏度高 无药物毒性伤害 比较真实地反映皮层 正常功能活动的特点 为此受到研究者的喜爱 猫视觉初级皮质 1 7 区 是猫受到 视觉信号刺激后大脑皮层接受信息的第一站 外侧膝状体上传的信息 在此引起了 哪些部位的反应 出现何反应 是研究者非常关心的问题 因此1 7 区成为研究视 觉认知的常用部位 国内外学者利用内源性信号光学成像技术 对猫的1 7 区进行 了方位功能柱活动的研究 研究结果显示 水平光栅和垂直光栅分别刺激视网膜时 产生的内源性信号光学成像图 呈现两者空间上大体互补镶嵌的兴奋与抑制关系 然而 影响神经元活动的麻醉剂对1 7 区方位功能柱活动的影响 图像形状刺激对 1 7 区方位功能柱的影响 未见用内源性信号光学成像技术显示的报道 本文用四种 麻醉剂 不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的影响 探索图像形状刺激与1 7 区方位功能柱活动的关系及其影响机制 研究内容分三部分 第一部分为刺激信号 的制作 第二部分为四种麻醉剂对内源性信号光学成像的图像的影响 第三部分是 不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的图像的影响及其机制的研究 第一部分刺激信号的制作 为满足本实验的要求 参考前人的刺激信号标准 利用c 语言编写程序 制作了两类 三种 刺激信号 即垂直条纹移动光栅刺激 信号 普通刺激信号 和鱼形与垂直条纹镶嵌移动光栅刺激信号两类 鱼形与垂直 条纹镶嵌移动光栅刺激信号又分为外隐内显型 关键图形刺激信号1 外显内隐型 关键图形刺激信号2 2 种 经调试和验证 刺激信号适合本实验要求 第二部分为四种麻醉剂对内源性信号光学成像的图像的影响 利用垂直条纹移 动光栅刺激 观察了在麻醉一期状态下 氯胺酮 硫苯妥钠 戊巴比妥钠和恩氟醚 对内源性信号光学成像的图像的影响 使用同一种麻醉剂 在不同麻醉状态对内源 性信号光学成像的图像的影响 使用同一种麻醉剂 在同一麻醉状态下持续不同时 间对内源性信号光学成像的图像的影响 结果显示 四种麻醉剂中 氯胺酮加肌松 3 山东师范大学硕士学位论文 剂麻醉时 成像效果较好 即垂直条纹移动光栅刺激在初级视皮层引起不同功能柱 活动 从而形成明暗相间的云片状斑点对比度高 图像清晰 其次为恩氟醚 硫苯 妥钠 戊巴比妥钠麻醉时 成像效果最差 在同一麻醉剂 不同麻醉状态下 成像 效果最好的是麻醉一期 均在麻醉一期 持续时间不同 不同麻醉剂对成像的影响 也不同 在1 小时内信号较稳定 随持续时间的延长图像信号的稳定性随之变弱 第三部分是不同图像形状刺激对内源性信号光学成像的图像的影响及其机制 的研究 首先在自然状态下 利用三种刺激信号 第一部分研究中自制的 对喜欢 吃鱼的猫 不喜欢吃鱼的猫进行为期三周的看图形给食物 喜欢吃鱼的猫给鱼 不 喜欢吃鱼的猫给普通猫粮 的学习强化训练 然后在一期麻醉状态下观察三种刺激 信号 第一部分研究中自制的 对喜欢吃鱼的猫 不喜欢吃鱼的猫视觉初级皮质的 内源性信号光学成像图的影响 结果显示 利用普通信号 关键图形刺激信号1 刺 激时 喜欢吃鱼的猫 不喜欢吃鱼的猫的光学成像图之间几乎类同 利用关键图形 刺激信号2 刺激时 喜欢吃鱼的猫的成像图与不喜欢吃鱼的猫之间有差异 这种差 异也有别于喜欢吃鱼的猫在受到普通信号刺激时形成的图像 这说明视觉初级皮层 的方位功能柱的活动能够反应外界刺激信号的变化 但是这种反应并不是刺激信号 的简单定位 而是个体依据其本身的内在因素对刺激信号的筛选而作出的反应 不 同个体之间反应的差异不是通过三周的学习与强化就能改变的 综上所述 麻醉剂的种类 麻醉状态 麻醉时间对内源性信号的光学成像的图 像信息均有影响 以氯胺酮加肌松剂麻醉时 成像效果较好 麻醉一期状态图像清 晰 麻醉在1 小时内的图像信号较强且稳定 在相同条件下 不同个体对不同视觉 刺激信号产生内源性信号的光学成像图不同 这种图中的信息不同 反映了视觉皮 层功能柱反应不同 这种差异是个体依据其本身的内在因素对刺激信号的筛选而作 出的反应 而不同个体之间反应的差异不是通过三周的学习与强化就能改变的 这些研究结果对于深入认识视觉皮层的功能特点 初级视觉皮层对视觉信息的 处理机制以及在器官水平上探索脑的认知规律提供了动物实验依据 关键词 内源性光学成像 全麻药物 初级视皮层 图像刺激 猫 中图分类号 q 4 3 6 4 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n d o g e n o u so p t i c a li m a 百n gt e c l l i l o l o g y a f t c rm o r em a nd e c a d eo fr e s e a r c ha n d i m p r 0 v e i i l e m h 嬲b e c o m ea ne x t r e m e l yi i n p o r t a n tt e c l l l l o l o g yi i lb r a i nc 0 9 1 l i t i v es c i e n c e w h e l la 1 1 j m a lv i s u a lc o r t e x 吼l r f 如ei ss t i i m l a t e db yt h e r i s u a ls i 弘a 1 n l en e u 0 n a l a c t i i t i e sr e s u ni i lm ec h a i l g e s0 i t 1 1 eb i o e l e c t r i c 埘a n dm ec o n t e n to fo x y g e n a t e d h e m o g l o b i l l 锄dc a r b o nd i o x i d e 勰e n d o g e n o u ss i 印a i s t h e s ec h 觚g e sa r cf o l l o w e db y t l l e c o n e s p o n d i n g v a d a t i o no ft l l e o p t i c s w 1 1 i c hi s c 印t i l r e db yp h o t o s e l l s i t i v e c h a r g e c o u p l e dd e v i c ec a m e r a st oi n d i c a t et l l ee x c i t e da r e a 觚dc o m p a r a t i v e l yu i l e x c i t e d a r e ai i lab r a i nr e 百o n a tl 豁tm ew h o l e 叩t i c a li m a g ei l lt h eb 汹w i l lb es h o w e di n t 7 l o d i m e n s i o n a lp l 孤eb y 也ec o m p u t e ri l i l a g ep r o c e s s i n gt e c h o l o g y t h et e c l l i l 0 1 0 9 i sl l i g h s e i l s i t i v e w i t l l o u td n 培t 0 x i c 时h u r t 锄dc 觚仃u l yr e n e c tt h e 1 1 0 m a lf i l i l c t i o no ft h ec o r t e x s oi ti s 霉 e a t l ya c c 印t e db yr e s e a r c h e r s p r i m a 巧 i s u a lc o n c x a r e al7 o fc a ti sn l ef i r s tl e go fr e c e i v i l l gv i s u a li n f o m a t i o n 丘d ml a t e r a lg e i l i c u l a t e db o d y m a n yr e s e a r c h e r sv e r yc a r et l l ep r o b l e mt 1 1 a tt h er e a c t i i t y o fw 雠c hp a no fa r e a1 7 锄dw h a tr e a c t i o nw e r ec a u s e db yt h ei l l f o m a t i o n t h e r e f o r c t l l ea r e a17b e c o m e sm eg e n e r a ls e n i c ep a r to fv i s u a lc o g 面t i o nr e s e a r c h s c h o l a r s a b r o a da n di nh o m eh a v ed o n es o m er e s e a r c h 懿0 fp o s i t i o nm n c t i o np i l l a ru s i n g e n d o g e i l o u s0 p t i c a li m a g i n gt e c l l i l o l o g y t h e 陀s u l t ss h o w e dt h a tt h ee i l d o g e n o u s0 p t i c a l i m a 百n gp i c t u r ef o m e dw h e nh o r i z o n t a l 孕眦i n ga n dv e r t i c a l 伊锄i n gs t i l l i u l a t e dr e t i i l 鹊 r e s p e c t i v e l yp r e s 锄t e dt h e i rm 1 咖a ls u p p l e i l l e i l t a la n dc o n f m e dr c l a t i o n s l l i pi ns p a c e h o w e v e r t l l ee f f e c t so fa i l a e s t h e t i ci n f l u e n c i n gn e u l 0 n a la c t i v i t i e sa 1 1 dp i c t u r ef o m s t i m u l a t i o no nt h ep o s i t i o nf i m c t i o np i l l a ra c t i v i t i e si i lt l l ea r e al7h a v en e v e rb e 锄 s t u d i e du s i n ge n d o g e n o u so p t i c a l i l l l a g i l l gt e c l l l l o l o g y t h ea r t i c l er e s e a r c t l e dt l l e i n n u e n c e so ff 0 l l rk i n d so fa 1 1 a e s t h e t i ca n dd i f 蚤e r e n tp i c 臼 ef 0 ms t i m u l a t i o nt 们矿a r d s e n d o g 饥0 l i so p t i c a l i m a g i l l gt 0e x p l o r et 1 1 er e l a t i o n s l l i pb e t l e e np i c t u r ef 0 珊s t i m u l a t i o n 锄dp o s i t i o n 丘m c t i o np i l l 甜o fa r e a17 锄dm e i r 砌 u e n c em e c h 枷s m t h er e s e a r c h i n c l u d e st h r e ep a n s m ef 戤p a r ti s 也em a n u f a 船o f s t i n m l a t i n gs i 萨a l t h es e c 埘mp a n i st l l ei n n u e n c e so fn l ef o l l rk i n d so fa 1 1 a e s t h e t i co n 锄d o g e n 0 惦i i i l a g i n gp i c n 玳a n dt h e t l l i r d p a r ti s t l l er e s e a r c ho nt 1 1 ei n n u e n c e so fd i f f e r e mp i c t u r ef o ms i m u l a t i o n0 n e i l d o g e n o u so p t i c a li i i l a 百n gp i c t u r ea n di t si n c c h a m s m t h ef i r s tp a r ti sm a n u f a c t u r eo fs t i r n u l a t e ds i g n a l h lo r d e rt os a t i s f ym er e q u i r e n l e m s o ft t l i se x p 甜m e n t t h ea u t h o rm a d et w oc a t e g o r y t h r e el i n d s o fs t i m u l a t i n gs i g n a l s0 n t l l er e f 酹e i l c eo fs t i n m l a t e ds i 髓a ls t 锄d a r dt a l e nb yp r e d e c e s s o r sb yc l a l l g u a g ee d i t 5 山东师范大学硕士学位论文 p r o c e e d i n 舀v e r t i c a ls t r i pm o b i l eg r a t i n gs t i m u l a t e ds i 印a l n o 珊a ls t i m u l a t e ds i 印a 1 a n d j c i s h s h a p e da 1 1 dv e n i c a l 嘶pm i n 酉e dm o b i l e 蓼a t i n gs t i m u l a t e ds i 趴a 1 t h e1 a t e rk i n d w a u sd i v i d e di n t oe x t e m a l c o n c e a l e di n t e m a l p r e s e n t e ds t i m u l a t e ds i 印a l m ek e yp i c t i l r e o fs t i 如吡1 a t e ds i g n a l1 1 0 1 a 1 1 de x t e m a l p r e s e n t e di n t 锄a l c o n c e a l e ds t i m u l a t e ds i g n a l t h ek e yp i c t u r eo fs t i m u l a t e ds i 弘a ln o 2 t h e s es t i m u l a t e ds i 弘a l sm a t c h 让l e r e q u i r e m e n t so f t l l ee x p e r i m e n ta f t e r 删u s t r i l e n t t e s ta n dv e r i f i c a t i o n t h es e c o n dp a r ts t l l d i e dt h ei n n u e n c e so ft h ef o u rk i n d so fa i l a e s t h e t i c k e t 锄i n e s u i 缸p h e n 如i ns o d i u m p e n t o b a r b i t a is o d i u ma n d1 ud e s f l 涨a n e m l e s i a 0 n e i l d o g e n o u si m a 百n gp i c t u r ei nt h es a m ea l l a e s t h e t i c ss t a t eo rd i f 妇n ta n a e s t h e t i cs t a t e s 0 rd i f f e r e n ta n a e s t h e t i ct i m eb yu s i n gn o m a ls t i r n u l a t e ds i g n a l t h er e s u l tr e v e a l st h a t t h ei m a g ee f 诧c ti sb e t t e rw i mk e t 锄i n e 觚e s t h e s i aa i l dm u s c l er e l a x a n t s 卸 dl e s s e rw i t h s u l 缸p h e n y t o i ns o d i 啪a i l dp e n t o b 曲i t a ls o d i u m a n dw o r s tw i t h1 ud e s f l u r a l l e 观e s t h e s i a w i t ht h es 锄e 孤a e s t h e s i a t h ei m a g ee f f e c ti sb e t t e ri na n a e s t h e t i cp h a s eo n e a 1 1 dt h ee f f e c ti ss t a b l ew i m i i lb e 百m i n go n eh o u ro fp h 硒eo n e t h e 芏lt h ee f r e c tb e c o m e s w e a 玉 e ra n dw e a k e r 1 l l et h j r dp a r tr e s e a r c h e dt h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tp i c t u r ef 0 ms i 咖l a t i o no n e n d o g 伽 0 u so p t i c a li m a 百n gp i c t u r e 觚di t sm e c h a l l i s m f i r s t i nt h en a t u r es t a t e 舀v e f o o d t r a i n i n gt 0c a t sf o r3w e e k s g i v et h ef i s ht om ec a t sm a t1 诹et oe a tf i s ha n d 昏v e l e n o 姗a lf o o dt 0t h ec a t st h a td 0n o t1 i k ef i s h t h ec a t sw e r e 百v e n 妇a g es t i n l u l a t i o n w h e n 百v i n gt h ef o o d 砌1 1 i n gt l l e ni nt h es t a t eo fa n e s t h e s i a 0 b s e et h ei i l n u e n c e so f m es t i m u l a t i o n so fm e3s i 印a l s m a d ei np a r tdo ne n d o g e n o u ss i 铲a l0 p t i c a li m a 百n go f t h ep 而l 哪v i s u a lc o r t e xo fc a t s m ep n e sl i k ef i s ho rn o t t h er e s u l t sr e v e a lt h a tw l l i l e s t i i n u l a t i i l gw i t hn o m a ls i 印a l 狃dk e y m 印s i n g a ll t h ei m a g e so fc a t st h a tl i k ef i s ha r e s i m i l a rt ot 1 1 0 s eo fm eo n e st h a td o n t tl i k ef i s h w 1 1 i l es t i m u l a t i r 培w i t l lk e y m 印s i 印a 12 t h ei m a g e so fc a t sm a tl i k ef i s ha r ed i f 诧r e n tf 硒mt l l o s eo ft h eo n e st i l a td o n tl i k ef i s h a n dt h ei m a g e sa r ea l s od i f f e r e i l tf 如mt h ei m a g e so ft h es a m eo n e su n d e rn o m l a ls i g n a l s t h i sr e v e a l st l l a tt h ep o s i t i o nm n c t i o nc 0 1 m 衄o ft h ep r i m a r yv i s u a lc o r t e xc a i lr e a c tt 0 m ec h a l l g e so fe x t e m a ls t i m u l a t i o ns i 弘a l s h o w e v e r t l l er e a c t i o ni sn o ts i m p l y o r i e n t a t i o no ft h ec o s t i m u l a t o 巧s i g n a l s b u tt h e 丘1 t e ro fs t i m u l a t i i l gs i g n a l sb a s e do n 廿1 c i r o w 1 li n t e m a lf a c t o r s 1 1 l ed i 仃e r e n c e so fr e a c t i o no fd i 饪 e r c n ti n d i v i d u a lc a i l tb ec h a l l g e d b yj u s t3w e e k s i n t e l l s i v es t u d y t os u mu p t h e0 p t i c a li m 晤n g 妇a g ei n f o m a t i o no fe n d o g e n o u ss i 乒a l si s i n f l u e n c e db yt h et y p e so fn a r c o t i cd m g s t h ea n e s m e s i as t a t ea i l dt h ea n e s t h e s i at i m e w i mk e t 锄i n ea n e s t h e s i aa 1 1 dm u s c l er e l a a i l t s m ei m a g ee 由f e c ti sb e s t h l 锄e s m e s i a p h a s eo n e m ei m a g es i 盟a l i sg o o dw i na i lh o u r u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h e 6 山东师范大学硕士学位论文 i m a g e so fd i 腩r e n ti n d i v i d u a la r e 1 i 佰 r c i l t t l l i sr e v e a l s l a t 圮m d i v i d u a lm a k e sa r 印o n s eb yf i l t m t i n gt l l es t i i l l u l a t i n gs i g n a l sb 嬲e do nm e i ro j ni i l t e n l a lf k t o r s t h e d i f f 研 c e so fr e a c t i o no fd i f 3 f 打e i l ti n d i v i d u a lc 姐 tb ec h a i l g e db y j u s t3w e e l s i n t e n s i v e 仃a i l l i i 培 k e yw o r d s o p t i c a li i i l a g i l l g g e n e r a l 觚e s t h e t i c s 王啊m a 巧v i s u a lc o r t e x s t i m u l a t eo f i l l l a g e c a t s c a t e g o r yn u m b e r q 4 3 6 符号说明 英文缩写英文全称 c t c 0 m p u t 舐z e dt o m o 鲫h y e e g e l e c t r o e n c e p h a l o 伊姗 g a b a g 锄m a 锄i n o b u t 如ca c i d m r j m a g n e t i cr e s o n 舭c eh n 画n g 缸u f u n c t i o n a lm r i p e t p o s i 仃0 ne l l l i s s i o nt o m 鲫h y v lv i s i o n1 v 2 s i o n 2 v 4v is i o n4 中文名称 x 光计算机断层扫描 脑电图 y 氨基丁酸 磁共振成像 功能型磁共振成像 正电子发射断层成像术 第一视皮层 第二视皮层 第四视皮层 7 山东师范大学硕士学位论文 第一部分文献综述 论文正文 综述一内源性信号光学成像的机制及其研究进展 上世纪七十年代中期以来 一系列较为成熟的成像技术如x 一射线断层成像技术 x c t 磁共振成像术 m r i 功能磁共振成像术 f m r i 正电子发射断层成像 术 p e t 等技术的应用 为脑认知科学研究者提供了 批把脑的结构 脑功能性 活动转化为图像并可进行空间定位的研究方法 从而为揭示脑的奥秘提供了一条新 的途径 基于内源信号的光学脑成像 0 p t i c a li m a g i n gb a u s e do ni n t r i n s i cs i 弘a l s 技 术是目前正在进行研究的新的脑成像技术之一 是到目前为止空间分辨率最高 达 o 1 姗 的一种整体动物脑成像技术 内源性信号光学成像技术 即利用与脑内神 经元活动有关的光学变化 用电荷耦合器件摄像机 将整片脑区中的兴奋区域和相 对不兴奋区域记录下来 并用计算机图像处理技术区分出来 显示在二维平面上 这种内源性光学成像的原理是 在一定的刺激条件下 脑内神经元的兴奋会引 起以下的变化 2 5 1 l 引起神经元快速的神经活动 如递质的释放 细胞间隙收缩或扩张 水分 子转运等 并由此导致散射光的变化 2 引起神经元代谢活动的剧增 继而使附近毛细血管中去氧血红蛋白含量升 高 3 紧接着又会引起局部血流的增加 局部毛细小血管中含氧血红蛋白含量升 高 这三种生理过程 将会引起局部脑对特定波长光的吸收率发生变化 光散射成 分与神经元活动关系密切 出现最快 而与脑微循环相关的其他成分则慢得很多 8 山东师范大学硕士学位论文 图o 一1 当皮层受到一定刺激后 各种可以引起脑对特定波长光吸收率变化的因素反应时间 及变化规律 引自n 1 f i g0 11 h l ec o u r s eo f d i 位r e n tc o n l p o n e r l t so f i n t r i i l s i cs i g n a l sb e f o r e d u r i n ga 1 1 da f t e r 伊a t i i l g p a t t e ms t 证m l i t h er e l a t i v ec o n t r i b u t i o n sa r en o 衄a l i z e d 这种内源性信号的光学脑成像技术是从电压敏感染料的光学成像技术基础上 发展而来的 1 9 8 2 年g r i n v a l d 使用电压敏感染料于海马脑片研究中 以光学记录 成像技术显示出明显可见的神经元电活动扩散现象 电压敏感染料能将神经元的电 活动转换为光学的变化信号 然后用光敏器件进行检测 从而把神经元的电活动直 接转化为图像 1 这种方法具有毫秒级的时间分辨率 是最早对神经元活动进行成 像的方法之一 由于存在药理学副作用和光毒性 电压敏感染料的使用受到了很大 的限制 解决的办法就是设法找到一种跟神经元活动相关的内源性的光学信号 事实上 在很久以前有人发现许多组织 包括脑 中存在着与代谢及电活动有 关的内源性信号 然而直到1 9 8 6 年才首次出现了利用这种微弱信号对皮层活动进 行成像的报道 g r i n v a l d 等发现了与神经元活动相关的脑内源性光学信号 并用光 学成像方法显示了大脑皮层的功能构筑u 1 这种技术在随后的十几年内逐步完善 使这种与神经元活动相关的光学成像术 成为到目前为止 空间分辨率最高的一种整体动物脑成像技术 可达0 1 砌 因为 不用毒性染料 不存在药理学毒副作用等 这种技术很适合于活体的在位记录和长 期记录 甚至可以在神经外科手术时对人进行实验性研究 该技术具有很大的应用 潜力 目前因为其受颅骨的限制 在颅外记录 影响成像的清晰度 所以主要应 用于动物实验 主要的实验动物有雪貂 幼猫 短尾猿猴等臼 1 内源性光学脑成像技术最早是应用于猫和猴视觉皮层功能构筑的研究 2 1 6 1 无 论是猫 猴子 人都有其固定的视觉皮层区 通常称为1 7 区 1 8 区 也可叫做v 1 9 山东师范大学硕士学位论文 区 v 2 区等 虽然功能是相似的 但是在大脑中的位置因动物的不同 而略有差异 如图0 2 漱 溯鲫 j 缈 戮 溯 图 一2 不同动物视觉皮层所在位置示意图 f i go 21 1 1 el o c a t i o no f 吐l ev i s 岫lc o m xo f t h ed 难醐瞰t 锄i 埘山s 皮层的功能柱是指具有相同视觉功能性的皮层细胞在视皮层上按一定的规则 排列 对猫和猴子视皮层研究发现 具有相同反应特性的细胞通常成簇状聚集 形 成柱或结节 常纵向穿过整个皮质层 从软脑膜至白质 1 这是由h u b e l 等用单细 胞微电极记录结合组织学技术首先发现的 他们随后又利用2 一脱氧葡萄糖标记技术 证实了方位功能柱的存在 当采用具有一定方位的运动光栅刺激动物时 初级视觉 皮层的反应优势区 根据电生理记录和2 一脱氧葡萄糖标记的结果推测为长条状 而 光学记录发现 其实呈现云片状分布 并且根据视野不同方位运动光栅刺激 不同 l o p 叠 岁 山东师范大学硕士学位论文 部位视觉皮层出现云片状分布反应 视觉皮层的这种明暗相间的云片状分布图即称 为方位功能优势 柱 图n 6 1 如图 一3 云片图 图中的黑色区域为方位功能柱 的兴奋优势区 浅色为相对抑制优势区 若将这种云片状的图象用m a t l a b 程序处 理 该图像中的云片状结构就变成风车样的结构 如图0 4 风车图 图中多重颜 色汇聚的焦点成为奇点 即眼优势柱的中心点 图o 一3 猫初级视觉皮层内源性信号光学成像示方位功能柱活动的云片状图 f i 的 31 k f l a k em 印o f 吐l ep o s i t i o n 胁c t i 伽l a lo f c a t sw 丛s t l o w e db yo p 廿c a li m a g 迅g 山东师范大学硕士学位论文 图0 4 猫初级视觉皮层内源性信号光学成像示方位功能柱活动的风车状图 上图 各个 颜色代表不同的方位 如下图所示 f i go 一41 k 讥m m 1 船m a p o f l 量1 ep o s i 石衄一缸啾i 衄a l0 f c a t sw a ss h o w e db y 唯i c 址 i m a g i l l g a b o v c v 撕0 u sc 0 1 饥璐r e p r c 蚓1 t i l l gd i l 誓确l td n 砸o n s 舔s 1 1 0 啪b e l w 根据皮层不同方位运动光栅反应可以计算出皮层的方位图及其功能柱的大小 猫的皮层1 7 区的方位优势图 由若干个风车状结构组成 其宽度约o 5 岫 中心间 距1 咖 多道微电极同时记录的结果表明 风车状结构的中心由许多方位选择性很 强的神经元紧密排列而成n 钉 将微电极记录与内源性信号光学成像技术结合 通过猫的单眼视觉剥夺 复明 实验发现 1 7 区皮层中还有眼优势柱存在 在视皮层内 左 右眼优势代表功能柱 垂直于皮层表面交替排列 当用电极垂直于皮层穿刺记录时 所有不同深度的细胞 具有相同的眼优势 当用电极平行于视皮质穿刺记录时 所遇到的细胞呈左右眼优 势交替有功能的变化 大约每前进0 4 舳 左右眼优势就变化一次 代表风车状 方位功能柱的结构中 8 0 9 6 以上的风车沿眼优势柱的中线集中 相邻风车的同方位 柱轮廓以大约直角穿过眼优势柱边缘 具有相同或相反方向眼优势变化的风车相联 系n 1 猴的视皮层v l 区存在垂直于v 1 v 2 交界的长条状交错分布的眼优势柱 而 在v 2 区则不存在 在猫的1 7 区也存在眼优势柱 但是不如猴的清晰 此外 除了方位柱和眼优势柱 初级视觉皮层还存在第三种柱状功能结构 即 空间频率柱 h u b e n e r 等在改进了成像系统的信噪比后 通过研究猫的1 7 区功能柱 的空间结构关系发现 方位优势图的轮状结构中心总与眼优势柱的中心重合 而方 位图上的等方位曲线多数是以接近垂直的角度与眼优势柱边界相交 大多数风车状 结构近乎集中在眼优势柱结构的其中 8 1 沿同一眼优势柱的中线聚集 余者多位 于眼优势柱边界 同方位优势柱在眼优势柱边缘以直角跨过眼优势柱边界 在眼优 1 2 山东师范大学硕 上 学位论文 势柱边缘光滑的连接n 盯 另外 一个方位优势区往往分为两个部分 一半是同侧眼 的优势柱 另一半是对侧眼的优势柱 眼优势柱的两眼优势区与方位优势柱的不同 方位优势区的分布具有高度对称性 与此相反 空间频率柱的频率优势区却不但不 对称 而且空间分布不连续n 钉 皮层的空间频率柱仅分为两种明显不同的区 分别 对高频和低频有优势反应 两者镶嵌分布 由于高频反应优势区的面积要比低频反 应优势区大 所以低频反应优势区为一个个的岛状结构 被高频反应优势区所包围 将猴的v 1 区光学记录的结果与细胞色素氧化酶染色的结果比较发现 低频优势区 在空间位置上正好对应于细胞色素氧化酶染色的斑点区 且方位优势图的车轮状中 心往往与高频反应优势区或低频反应优势区的中心重合 而等方位曲线也往往正交 于两种频率反应优势区的边界n 综上所述 初级视觉皮层的功能构筑是高度有序的 由于视野里的每一个点都 包含几种不同方面的信息 所以在视觉皮层的功能柱的组合上也必须保证任意的一 个对应区都能处理不同方面的信息 功能柱的正交正是保证几种功能柱能达到最佳 组合方式的前提 除了上面三种功能柱外 在猫的视皮层的其他区还发现了方向柱和o n o f f 柱 等皮层功能构筑 猫的方向柱主要存在于皮层1 8 区 皮层对方向相反的一对运动 刺激的优势区分布是呈现片状交错排列的 钉 与方位优势区相比 方向优势区要小 得多 大概是其1 2 1 4 在空间分布关系上 一个等方位优势区往往被分为两部 分 分别对方向相反的两种运动刺激有优势反应 方向优势图存在着空间上的不连 续变化 而且这种空间不连续的边界线往往把方位优势图上的两个车轮状中心链接 起来 虽然方向和方位优势反应区在空间分布上有着紧密的联系 这两种反应却是 独立的 方向优势反应仅对刺激图形的运动方向敏感 而与图形的具体形状朝向无 关 与此相反 方位优势反应则不仅对刺激光棒的方位敏感 而且对光棒的长度也 敏感 光棒越长 方位选择性越强 这意味着两种反应是由两条并行的通道处理的 错觉轮廓在视觉认知中也起着非常重要的作用 它是指 人们知觉到的刺激图 案中实际上并不存在的轮廓 线 边 或面 与光点 光棒和光栅等边缘具有亮度 突变的轮廓不同 错觉轮廓并没有亮度边界 它的边界是由图像纹理的空间不连续 性所形成 但它同样可以被高等动物所识别 在高等动物的视觉系统将视网膜上的 二维图形还原三维的过程中 起着重要作用 s h e t h 等把光学记录与微电极单位记 录结合起来 研究了视觉皮层对错觉轮廓的反应 他们发现猴视皮层的v 1 区和v 2 区都对具有一定方位的错觉轮廓敏感伽1 v 2 区比v 1 区有更多的神经元对错觉轮廓 敏感 与皮层的方位柱内神经元相似 对错觉边界方位选择性相同的神经元也聚集 在一起 不同错觉边界方位选择性的神经元镶嵌排列 这说明猴视觉系统在v 1 区 就开始对错觉轮廓的方位信息进行初步处理 并在更高级的视觉皮层得到进一步的 加工处理 在对猫的1 7 1 8 区关于错觉轮廓的研究中发现 1 7 区较1 8 区含有更多 1 3 山东师范大学硕 b 学位论文 错觉轮廓敏感性细胞 除了对猫视皮层1 7 1 8 区 对猴子v 1 v 2 区的研究以外 基于内源信号的光 学脑成像技术还被应用于更高级的视觉皮层的成像研究n h2 幻 除了对视觉皮层的研 究外 该技术还应用于对大鼠和猴的体感皮层研究以及对豚鼠的听觉皮层研究中 2 2 2 们 由于基于内源信号 这种技术具有对动物伤害性小等特点 可以对同一动物 做长期记录 因此很适合于对新皮层的发育和后天经验可塑性的研究 通过猫和雪 貂的试验发现 从出生后首次记录到方位图到动物发育完全这段时间 方位柱的空 间分布没有变化 即使是对小猫进行单眼剥夺和反转缝合 仍然不影响其方位柱的 分布结构 而仅仅改变了功能图的强度 如果给猫的两个眼球以完全不同的视觉经 验 出现的方位柱的分布却仍然完全相同比钉 根据光学成像技术的特点 使用该技术在临床神经外科手术中对暴露皮层的功 能进行定位 具有完全的可行性 有研究发现 舌