培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)模型構(gòu)建及機理研究.pdf

1、對于培養(yǎng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)而言，學(xué)習(xí)是外界刺激與網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)之間的聯(lián)系建立和調(diào)節(jié)的過程。目前對學(xué)習(xí)的研究主要集中在行為水平、組織水平和分子水平上，基于網(wǎng)絡(luò)層次的研究仍較少。神經(jīng)元傳遞的信息必須經(jīng)過整合才能最終實現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶等腦的高級功能，而信息的整合是在網(wǎng)絡(luò)層次完成的。因而，在網(wǎng)絡(luò)層次建立神經(jīng)元的學(xué)習(xí)模型對學(xué)習(xí)記憶的研究非常重要且必要。本文在多通道微電極陣列系統(tǒng)中分別采用300-500mV、200μs、0.2-1 Hz的方波電壓刺激以及10-30

2、μA、200μs、0.2-1Hz的方波電流刺激作為條件刺激，對培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行閉環(huán)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，誘導(dǎo)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)發(fā)生選擇性學(xué)習(xí)，從而構(gòu)建神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的選擇性學(xué)習(xí)模型。通過本文構(gòu)建的培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)選擇性學(xué)習(xí)模型，探討了學(xué)習(xí)的機理。主要通過研究在離子型谷氨酸受體和GABAA受體分別受到過度抑制的條件下，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中發(fā)生的響應(yīng)活動的動力學(xué)特征的變化，闡明離子型谷氨酸受體和GABAA 受體對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生的響應(yīng)活動

3、的時空信息編碼和能量分布的調(diào)控作用。同時，通過研究學(xué)習(xí)訓(xùn)練對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電生理活動的作用，證實神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電活動的振蕩是學(xué)習(xí)的重要機制之一。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　 ⑴分別采用300-500 mV、200μs、0.2-1 Hz的方波電壓刺激以及10-30 μA、200 μs、0.2-1 Hz的方波電流刺激作為條件刺激，對培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行閉環(huán)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)/刺激比和響應(yīng)時延作為評判指標(biāo)，訓(xùn)練神經(jīng)

4、元網(wǎng)絡(luò)發(fā)生選擇性學(xué)習(xí)，從而構(gòu)建了培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的選擇性學(xué)習(xí)模型。
　　 ⑵基于本文的學(xué)習(xí)模型，研究了離子型谷氨酸受體對培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生的響應(yīng)活動的時空信息編碼和能量分布的調(diào)控作用。50μMAPV、50μM CNQX或者2mM Mg2+均可減小早期突觸后響應(yīng)發(fā)放的速率、幅度和發(fā)放概率。同時加入50μMAPV和50μM CNQX可完全抑制突觸后響應(yīng)。50μMAPV使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)活動趨于紊亂。50μM CN

5、QX使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)活動的功率譜密度發(fā)生了明顯改變，在小于10 Hz的特征頻段內(nèi)的能量明顯減小。50 μM APV和50 μM CNQX 均使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)活動的相關(guān)性和同步性顯著降低。
　　 ⑶基于本文的學(xué)習(xí)模型，研究了GABAA受體對培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生的響應(yīng)活動的時空信息編碼和能量分布的調(diào)控作用。GABAA受體的抑制使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電活動的動力學(xué)特征發(fā)生了明顯變化，包括如下表征：放電頻率更高、同步性更好、相

6、關(guān)性更高、節(jié)律性更明顯，并且burst 持續(xù)時間更長、burst 發(fā)放間隔更短、burst 中包含單個鋒電位數(shù)目更多，出現(xiàn)簡諧振動形式的放電。在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，GABAA 受體的抑制使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)活動的動力學(xué)特征發(fā)生了明顯變化：早期突觸后響應(yīng)的平均鋒電位發(fā)放間隔明顯減小，發(fā)放概率隨時間的分布變化明顯，功率譜密度在小于50 Hz的特征頻段內(nèi)的能量很高，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)活動的相關(guān)程度和同步程度顯著增加，出現(xiàn)癇樣放電。
　　 ⑷研究了

7、學(xué)習(xí)訓(xùn)練對培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電生理活動的作用。成功的學(xué)習(xí)能夠引起神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)電活動首先出現(xiàn)振蕩繼而發(fā)生長時程增強現(xiàn)象，證實神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電活動的振蕩是學(xué)習(xí)的重要機制之一。同時，成功的學(xué)習(xí)能夠提高神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)burst的發(fā)放速率，減小burst的發(fā)放時間間隔，增加burst的發(fā)放數(shù)目，增強神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電活動的相關(guān)程度和同步程度，改變神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)電活動在各個特征頻率段的能量分布。未成功發(fā)生學(xué)習(xí)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)其自發(fā)電活動在學(xué)習(xí)訓(xùn)練前