蒲慕明教授等最新突破文章

　　

生物通报道：来自中科院神经科学研究所，香港理工大学的研究人员发现了丘脑中一种频率小于1 Hz的慢波振荡（slow oscillations）的活动节律可以被声音刺激的节律所调制，这一研究成果公布在国际神经科学杂志《Journal of Neuroscience》杂志上。

参与这一研究的包括神经科学研究所章晓辉研究员，蒲慕明教授，以及香港理工大学贺菊芳教授等人，还包括博士研究生高丽霞、叶昌泉等。这一研究受到中科院“创新项目”的资助（KSCX2-YW-R-29）。

大脑中许多功能区呈现不同形式的神经网络振荡活动（oscillatory brain activity），它们反映群体神经元的同步活动以及大脑的不同功能状态。例如，在清醒工作状态下，振荡活动多表现为高频低幅；在睡眠状态下，振荡特征多为低频高幅。这些不同形式的振荡活动分别在大脑处理、传递和整合感觉信息，巩固记忆，以及一些高级认知活动（如注意行为）中发挥重要的作用。其中，调制神经网络活动的振荡特性是实现这些脑功能的可能机制之一。

在这篇“节律的感觉输入调制大脑中神经网络活动的振荡频率”文章中，研究人员通过对整体动物的电生理研究，发现丘脑中一种频率小于1 Hz的慢波振荡（slow oscillations）的活动节律可以被声音刺激的节律所调制。时间间隔为秒的节律声音的短时间刺激可以促使丘脑慢波振荡活动的自发频率“跟随”外界声音刺激频率，并且在撤除刺激后，丘脑的自发振荡活动仍能保持声音刺激频率达数个振荡周期（约几十秒）。同时，这种慢波振荡的“跟随效应”也能特异地增强神经元对相同时间间隔的弱声音的反应，这一易化作用则可维持达十几分钟。这些研究发现揭示了一种与感觉输入特征相关的神经网络活动的可塑性，也提示节律刺激对慢波振荡发生频率的调制可能参与编码和短时记忆“秒级”时间间隔信息。

附：

章晓辉博士，1994年毕业于杭州大学，1999年在中科院上海生理所获得神经生理学博士学位，在1999－2002年期间，分别在美国加州大学圣迭亚哥分校生物系和柏克莱分校的分子与细胞生物学系从事博士后研究。2004年应聘担任神经科学研究所副研究员，2007年起任研究员和课题组长。实验室主要研究中枢抑制性输入在单个神经元信息处理中的作用机制，以及发育早期中经验依赖的脑功能可塑性建立的抑制性突触机制。

研究方向 编辑本段回目录大脑是一个由神经元构成的网络，神经元与神经元之间的相互联系依赖于突触，这些彼此联系的神经元构成一定的神经环路来发挥大脑的功能。在大脑的许多区域，中间神经元释放抑制性递质γ-氨基丁酸（GABA），并在中枢神经系统中发挥主要的抑制作用。这种抑制作用对神经环路功能的稳态平衡、复杂性以及信息加工处理中发挥着关键作用。我们实验室主要通过离体脑片（in vitro）和整体动物脑（in vivo）的电生理研究，在细胞水平上理解这些抑制作用对神经元信息处理的功能以及对经验活动依赖的大脑可塑性的影响。正在开展的研究工作:

抑制性输入在神经元信息处理的作用：
在中枢神经系统中，GABA能抑制性中间神经元具有繁多种类，它们通过各自在主（锥）体神经元的不同亚细胞区域（如树突、细胞体和轴突丘）的突触来实现对神经元信息处理的精细调控。我们已建立结合脑片电生理技术和“NEURON”计算机仿真建模计算的研究手段，并阐明了锥体神经元顶树突对同时发生的兴奋性和抑制性突触信息的非线性（空间）加和的基本算法规则。我们的研究将继续系统地和定量地研究发生于神经元的胞体、基树突或轴丘的抑制性输入如何与同步发生的树突远端的非线性加和特征，以及与非同步发生兴奋性输入的（时间）加和的规则。我们也拟将进一步研究随机发生的（背景）抑制性突触输入如何调节树突整合突触信息过程和神经元输入-输出的增益及其细胞学机制。这些系统和定量的研究能使我们完全了解不同类GABA能中间神经元参与神经元信息处理的基本作用和机制。

“关键期”可塑性所蕴涵的抑制性作用机制：
追溯至1963年，T. Wiesel 和 D. Hubel首次描述了猫发育早期中，短期单眼视觉剥夺可以永久地减弱初级视皮层细胞对由剥夺眼输入的视觉反应。这种“眼优势”可塑性已成为研究经验活动依赖的脑功能可塑性的一个经典模型。人们已知脑功能可塑性大多只发生在（哺乳和啮齿）动物出生后一段特定时期内，即“发育关键期”。中枢GABA抑制性神经环路的发育成熟可以调节此“发育关键期”的发生与维持，并可能是 “眼优势”可塑性诱导发生的基本机制之一。然而，在对关键期“眼优势”可塑性的机制研究中，剥夺视觉通路中兴奋性突触发生的同源长时程抑制（LTD）现被认为是诱导发生 “眼优势”可塑性的唯一细胞学机制。因此，我们的研究方向是探索中枢GABA 能抑制作用在小鼠发育关键期“眼优势”可塑性诱导发生中所发挥的潜在机制。具体而言，我们拟系统地阐明：1）早期视觉经验（如单眼剥离、黑暗饲养等）在皮层GABA能抑制性中间神经元上的生理“印迹”；2)特定类型的中间神经元及其抑制作用参与“眼优势”可塑性的发生的基本机制。我们主要采用整体动物（in vivo）和离体脑片（in vitro）的电生理研究技术，并结合使用分子遗传操作的转基因小鼠。

原文摘要：

Entrainment of Slow Oscillations of Auditory Thalamic Neurons by Repetitive Sound Stimuli

Slow oscillations at frequencies <1 Hz manifest in many brain regions as discrete transitions between a depolarized up state and a hyperpolarized down state of the neuronal membrane potential. Although up and down states are known to differentially affect sensory-evoked responses, whether and how they are modulated by sensory stimuli are not well understood. In the present study, intracellular recording in anesthetized guinea pigs showed that membrane potentials of nonlemniscal auditory thalamic neurons exhibited spontaneous up/down transitions at random intervals in the range of 2–30 s, which could be entrained to a regular interval by repetitive sound stimuli. After termination of the entraining stimulation (ES), regular up/down transitions persisted for several cycles at the ES interval. Furthermore, the efficacy of weak sound stimuli in triggering the up-to-down transition was potentiated specifically at the ES interval for at least 10 min. Extracellular recordings in the auditory thalamus of unanesthetized guinea pigs also showed entrainment of slow oscillations by rhythmic sound stimuli during slow wave sleep. These results demonstrate a novel form of network plasticity, which could help to retain the information of stimulus interval on the order of seconds.