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在哺乳动物大脑中存在数目众多的神经元,通过突触的联系构成接收,处理,传递信息的神经网络。功能各异的神经元以及不同传递模式突触的动力学决定了神经网络处理不同复杂度的任务。神经网络中每一个神经元接收成百上千突触输入的电信号,形成一个复杂的突触活动的时空图谱。这些整合突触输入调控神经元编码的精确性,进而影响网络下一级神经元的活动。其间存在一定问题,如:神经元是如何分析、取舍乃致整合这些大量同步或异步,具有不同时空分布突触的电信号,以及整合的突触信号如何趋动神经元编码细胞输出信号。
基于上述问题,我们通过数值计算的方法对多突触的信号进行了整合。在整合的过程中,我们考虑了单突触输入的基本特性,如突触前神经元发放频率,突触输入的数目,延迟及单突触PSC幅度等。同活体动物实验中神经元阈下的自发活动结果相比较,模拟结果具备相似波动特性,且形式丰富多样。多数情况下,理论和实验结果比较吻合。在此基础上我们从三个方面即突触整合信号精细结构的分析、突触整合信号上升相的建模及其动态特性分析、锥体神经元和GABAergic中间神经元对突触输入发放响应,探讨突触因素在整合过程中的作用及整合信号对不同类型神经元发放特性的影响。
突触整合信号精细结构的分析结果表明:在众多突触因素的调控下,突触整合信号的波动形式具有多样性。通过构建节律因子,就相关突触因素对突触整合信号波动特性的调控作用做了定量分析。我们的数值计算结果表明:突触整合信号的节律性特征由突触前神经元的发放频率和延迟联合调控。对突触前神经元发放同步程度较高的情况,高频突触输入引起的膜电位波动的节律性要好于由低频突触输入引起的膜电位的节律性。随着突触前各神经元发放的同步程度的提高,膜电位的节律性特征越明显。而延迟的增加会削弱膜电位的节律性。
活体动物的电生理实验结果表明,神经元阈下膜电位活动表现为活动态和静息态交替出现的状态。两态之间的转变态(上升相)呈现出动态变化特性,如上升曲度变化不一致、平台电位各异等。为进一步理解突触因素对上升相的调控作用,我们在考虑了突触输入模式的情况下,对突触整合信号的上升相进行了数值模拟,结果显示:以压抑和随机模式为主引起的突触整合信号的上升相多为快速去极化过程,而易化模式的突触输入则主要参与调控上升相的慢去极化过程。同时,我们构建一个广义模型并对锥体神经元阈下活动态的上升相进行拟合,通过模型参数的调整再现了上升相的动态特性。我们还对锥体神经元阈下活动态的上升相同突触因素相互之间的关系及生理学功能意义进行了讨论。
神经元稳定性编码在一定程度上就反映了突触输入信号波动特性。对此,我们利用模拟的突触输入,考察锥体神经元和GABAergic中间神经元发放的稳定性响应。在实验中考虑到了突触输入信号的基本参数,如频率、强度、振动幅度、信噪比等。电生理结果显示:锥体神经元和GABAergic中间神经元都有其各自稳态编码的频响范围,锥体神经元对低频范围内的突触输入有较稳定的响应;与之对应,对高频范围内的突触输入,GABAergic中间神经元的发放保持较好稳定性。一定强度范围内的突触信号可以优化两类神经元在其稳态编码频率范围内的稳定性。此外,大幅度,低信噪比的突触整合信号对两类神经元稳定性编码也有显著作用。