長時間培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡的全局動力學特性與調(diào)控研究.pdf

1、理解并揭示大腦運作的模式是神經(jīng)科學的基本研究目標。大腦運作過程中的重要特性和表征之一是神經(jīng)網(wǎng)絡自發(fā)涌現(xiàn)出的網(wǎng)絡放電模式，深入研究該自發(fā)活動隱含的動力學機制將有助于探索并最終闡明神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸、存儲與處理過程的內(nèi)在規(guī)律。圍繞神經(jīng)元網(wǎng)絡體外發(fā)育過程中動力學特征與調(diào)控規(guī)律問題，本文利用多電極陣列上離散培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡介觀的尺度上開展了多位點的長時間同步記錄，對網(wǎng)絡全局動力學特征隨發(fā)育的演化規(guī)律以及在藥物及電刺激操縱下的調(diào)控規(guī)律

2、進行了初步探索。主要研究內(nèi)容和結論如下：
　?。?）設計并實現(xiàn)了一套針對多通道神經(jīng)電生理實驗系統(tǒng)的控制軟件與海量放電活動數(shù)據(jù)的分析工具，改進了基于多電極陣列培養(yǎng)皿的大鼠海馬離散神經(jīng)元網(wǎng)絡原代培養(yǎng)方法和記錄環(huán)境穩(wěn)定維持系統(tǒng)，實現(xiàn)了長時間體外發(fā)育過程中神經(jīng)元網(wǎng)絡放電活動數(shù)據(jù)的平穩(wěn)記錄（最長可達18個月），為神經(jīng)網(wǎng)絡活動的動力學機制研究提供了穩(wěn)定可靠的基礎數(shù)據(jù)。
　?。?）完整地跟蹤并記錄了23組長時間培養(yǎng)（100至150天）神經(jīng)

3、元網(wǎng)絡的體外發(fā)育過程，并針對長時間發(fā)育活動數(shù)據(jù)提出了一種對網(wǎng)絡放電活動模式全局動力學狀態(tài)的分析方法。首次報道了網(wǎng)絡發(fā)育過程中涌現(xiàn)的亞穩(wěn)定轉換軌跡。結合臨界雪崩分析方法和網(wǎng)絡功能拓撲的量化指標，發(fā)現(xiàn)該亞穩(wěn)定發(fā)育軌跡的出現(xiàn)與自組織臨界性密切相關，這一結果提示發(fā)育過程中網(wǎng)絡的自組織臨界特性可引導自發(fā)放電活動進入連續(xù)的瞬態(tài)調(diào)控轉換過程。并且，僅有在發(fā)育早期即表征出自組織臨界特性的網(wǎng)絡樣本，才可穩(wěn)定維持這種亞穩(wěn)定的發(fā)育軌跡?；谂囵B(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡體外發(fā)

4、育的完整過程，該結果首次為復雜網(wǎng)絡自組織臨界特性和亞穩(wěn)定動力學特性間的重要關聯(lián)提供了實驗證據(jù)。
　?。?）針對網(wǎng)絡內(nèi)藥物調(diào)控的急、慢性效應進行研究。使用經(jīng)典的神經(jīng)活動評價指標結合網(wǎng)絡簇發(fā)同步性分析、功能拓撲分析和社群分析跟蹤分析辛醇和鐵作用下網(wǎng)絡全局動力學特性的改變。首次發(fā)現(xiàn)了辛醇持續(xù)作用下網(wǎng)絡自發(fā)活動的自回復現(xiàn)象。辛醇自回復結果提示了網(wǎng)絡自發(fā)活動產(chǎn)生和維持過程中的穩(wěn)態(tài)可塑性機制。高濃度鐵作用的慢性積累效應展示了鐵過量攝入對網(wǎng)絡功

5、能連接社群結構的融合作用和鐵缺乏所造成的社群解離作用，初步揭示了功能連接結構與動力學特征的緊密關聯(lián)。
　　（4）針對刺激模式對網(wǎng)絡全局特征的調(diào)控規(guī)律進行研究。通過對比分析刺激前后的網(wǎng)絡自發(fā)活動狀態(tài)，結果顯示常用的隨機亂序刺激模式雖然顯著抑制了網(wǎng)絡內(nèi)的密集放電，其作用前后的網(wǎng)絡全局動力學狀態(tài)卻無明顯變化；同時順序雙點閉環(huán)刺激雖僅作用于網(wǎng)絡內(nèi)指定兩節(jié)點并顯著增強了兩者間的關聯(lián)響應，然而其作用后網(wǎng)絡內(nèi)放電模式狀態(tài)出現(xiàn)了融合。這一結果提示