脊髓背角無髓鞘纖維初級傳入突觸的仿真模型.pdf

1、背根節(jié)神經(jīng)元是感覺傳入的第一級神經(jīng)元，其胞體發(fā)出的軸突分為兩支：外周突伸向外周組織其末梢結(jié)構(gòu)接受外界感覺信息；中樞突負(fù)責(zé)將已編碼的刺激信息傳入中樞。除了末梢結(jié)構(gòu)以外的外周突部分與背根節(jié)神經(jīng)元的中樞突一起稱為初級傳入纖維。脊髓背角是源于DRG神經(jīng)元的初級傳入纖維終止并與位于脊髓背角的中樞神經(jīng)元形成突觸的區(qū)域。這一區(qū)域在軀體感覺系統(tǒng)中起著重要的中繼及處理感覺信息的作用，故透徹地研究初級傳入纖維與脊髓背角神經(jīng)元之間的突觸傳遞過程具有重要的生物

2、學(xué)意義。
　　神經(jīng)元接受刺激后產(chǎn)生動作電位，是神經(jīng)元最主要的功能反應(yīng)之一。以往對神經(jīng)元電生理基本性質(zhì)的研究中，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位具有多種不同排列組合的時(shí)間模式，也稱為放電模式。并且證實(shí)這種組成序列的動作電位會通過突觸向其它神經(jīng)元進(jìn)行傳遞，也即是說，神經(jīng)元的放電模式很可能攜帶了要傳遞的信息。但是對于不同放電模式如何參與信息的傳遞還了解得很少。突觸傳遞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元之間信息傳遞的基本方式。突觸前神經(jīng)元接受刺激后產(chǎn)生具有一定

3、時(shí)間排列特征動作電位，形成某種放電模式，該放電模式通過軸突傳遞到纖維末梢，引起末梢釋放神經(jīng)遞質(zhì)，完成電信號向化學(xué)信號的轉(zhuǎn)換，達(dá)到信息傳遞的目的。神經(jīng)元放電模式和神經(jīng)遞質(zhì)釋放之間、電信號與化學(xué)信號之間究竟存在什么相互關(guān)系的問題至今尚不清楚。
　　突觸傳遞效率是指突觸對神經(jīng)信息傳遞能力的大小。目前關(guān)于判定突觸傳遞效率的指標(biāo)，主要是對單個(gè)脈沖刺激誘發(fā)興奮性和抑制性突觸后電位（EPSPs和IPSPs）的幅度和斜率，興奮性和抑制性突觸后電流

4、（EPSCs和IPSCs）的幅度和面積。傳遞效率的另一個(gè)直觀指標(biāo)是突觸前/后序列的互信息值，突觸傳遞互信息簡單來說就是突觸后信號保留突觸前信息的能力。
　　按照目前的觀點(diǎn)，一系列動作電位才可能真正攜帶信息，所以應(yīng)該綜合考察不同排列組合的多個(gè)刺激脈沖引起突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生EPSC和突觸前后放電序列互信息的情況，以此檢驗(yàn)突觸前神經(jīng)元不同放電模式對突觸傳遞效率的影響。我們認(rèn)為通過對不同模式放電序列的突觸后EPSC和突觸前后互信息的綜合分析

5、比較能夠真實(shí)地反映突觸傳遞效率。
　　在本課題中，我們的主要研究內(nèi)容包括以下三方面：（1）以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了脊髓背角無髓鞘纖維初級傳入突觸的計(jì)算機(jī)仿真模型，（2）分析模型中產(chǎn)生突觸前不同放電模式的動力學(xué)機(jī)制（3）結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模型，研究由短簇脈沖與單個(gè)脈沖所構(gòu)成的兩種不同時(shí)間結(jié)構(gòu)的突觸前放電模式的突觸傳遞規(guī)律及其突觸機(jī)制。
　　主要結(jié)果：
　　1.建立了脊髓背角無髓鞘纖維初級傳入突觸的仿真模型
　　a.參考Scr

6、iven的工作建立了突觸前無髓鞘纖維的放電模型。
　　b.在Destexhe建立的突觸模型基礎(chǔ)上，結(jié)合脊髓背角初級傳入突觸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了此突觸的傳遞模型。
　　c.將突觸前的放電模型和突觸傳遞模型結(jié)合起來擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立脊髓背角無髓鞘纖維初級傳入突觸的仿真模型
　　d.此模型可以修改成突觸短時(shí)程可塑性模型而進(jìn)行相關(guān)研究。作為一個(gè)雙室模型，模型的適應(yīng)范圍很廣，如可以修改模型的突觸前部分使之成為脊髓背角有髓鞘纖維初級傳入

7、突觸模型。
　　2.突觸前不同放電模式的動力學(xué)機(jī)制分析
　　a.連續(xù)和簇這兩種不同的放電模式是由不同的動力學(xué)機(jī)制決定的。
　　b.這種動力學(xué)機(jī)制不同可以由Na-K泵的活動和刺激電流共同引起。
　　3.脊髓背角初級傳入突觸不同突觸前模式的突觸傳遞-實(shí)驗(yàn)和模型的對比
　　a.兩種不同序列的突觸前刺激時(shí)，總的說來，低頻連續(xù)刺激（0.5～4Hz）更容易引起突觸后的EPSC反應(yīng)，其變異系數(shù)更小。
　　b.突觸后

8、EPSC變異系數(shù)分析表明，連續(xù)刺激在只有AMPA受體介導(dǎo)的情況下更小、更穩(wěn)定。簇刺激在AMPA+NMDA共同介導(dǎo)的情況下突觸后EPSC變異系數(shù)更小、更穩(wěn)定。
　　c.通過計(jì)算突觸前與突觸后序列的互信息，他人實(shí)驗(yàn)證實(shí)短簇脈沖序列突觸前后的互信息值顯著地大于連續(xù)連續(xù)單個(gè)脈沖序列時(shí)的情況，但在模型中去掉NMDA受體成分后，我們發(fā)現(xiàn)短簇脈沖序列情況下的互信息值顯著下降。
　　結(jié)論：
　　在本課題中，我們首次建立了脊髓背角無髓鞘

9、纖維初級傳入突觸的仿真模型來研究不同動作電位模式通過此突觸的傳遞過程。動力學(xué)分析表明：突觸前產(chǎn)生不同放電模式是由于不同的動力學(xué)機(jī)制引起的。低頻連續(xù)刺激（0.5～4Hz）更容易引起突觸后的EPSC反應(yīng)，其變異系數(shù)更小。簇刺激在AMPA+NMDA共同介導(dǎo)的情況下突觸后EPSC變異系數(shù)更小、更穩(wěn)定。通過計(jì)算突觸前/后序列的互信息，發(fā)現(xiàn)在短簇脈沖序列刺激下，突觸前脈沖序列所包含的信息可以更為可靠地通過突觸傳遞。在模型中對突觸前的釋放概率進(jìn)行擾動