（生物物理学专业论文）猫初级视皮层神经元方位选择性强度与抑制的关系.pdf

摘要 摘要 大部分的初级视皮层神经元会对刺激图形的某方面属性具有选择性，例如 刺激的朝向( 方位) 以及刺激图形的空间频率等等。发现初级视皮层神经元具有 方位选择性被认为是视觉神经科学的关键发现之一。在初级视皮层神经元方位选 择性的形成过程中，兴奋性输入和抑制性输入所发挥的作用以及二者之间的关系 作为一个模型可以帮助我们了解皮层神经回路对信息进行处理的机制。 但是，关于皮层抑制系统在方位选择性形成过程中所发挥的作用现在仍在 争论中，抑制强度与方位选择性强度间的关系还不清楚。为了研究抑制强度与方 位选择性强度间的关系，我们通过在麻醉猫初级视皮层1 7 区神经元周围用微电 泳方法施加抑制性神经递质y 氨基丁酸( g a b a ) 及g a b a a 受体选择性拮抗剂 荷包牡丹碱( b i c u c u l l i n e ) ，观察药物施加对神经元方位选择性强度及自发放幅度 的影响。我们根据神经元方位选择性强弱将神经元划分为强方位选择性神经元、 中等方位选择性神经元和弱方位选择性神经元。我们同时观测了施加药物对这三 类神经元( 强、中、弱方位选择性) 方位偏爱指数( o r i e n t a t i o nb i a s ) 、方位调谐 曲线半高半波宽及方位特异性指数( o r i e n t a t i o n s p e c i f i c i t yi n d e x ) 的影响。我们 的研究发现微电泳施加g a b a 和b i c u c u l l i n e 可以双向调节神经元的方位选择性 强度；微电泳施加g a b a 对弱方位选择性神经元方位选择性强度提升效果最强， 对中等方位选择性神经元效果次之，对强方位选择性神经元则基本没有提升效 果；微电泳施加b i c u c u l l i n e 则与之完全相反，施加b i c u c u l l i n e 可以使强方位选 择性神经元和中等方位选择性神经元的方位选择性强度明显下降，而对弱方位选 择性神经元则基本没有效果；这种施加g a b a 和b i c u c u l l i n e 对方位选择性强度 的影响是方位调谐曲线波宽和垂直最优方位比( o r t h o g o n a l o p t i m a ir e s p o n s e s ) 共 同变化的结果。同时，我们的研究还发现神经元的自发放幅度大小与其方位选择 性强弱有一定的相关性，神经元方位选择性越强其自发放幅度越小。上述结果预 示着初级视皮层中弱方位选择性神经元可能没有接收到足够的抑制性输入，而强 方位选择性神经元则接收了强的抑制性输入。 前人的研究发现长期吗啡暴露会导致初级视皮层神经元方位选择性下降及 自发反应幅度升高，普遍猜测认为神经元反应特性的这种改变是皮层内抑制系统 损伤的结果。如果这个猜测是正确的，那么根据我们上面的实验结果，可以推测 出以下假设：在长期吗啡暴露动物初级视皮层神经元周围微电泳施加g a b a 应 该会显著提高其方位选择性强度并使其自发反应幅度明显下降。为了验证上述假 设，我们研究了微电泳施加g a b a 和b i c u c u l l i n e 对长期吗啡暴露猫和对照猫初 摘要 级视皮层神经元方位选择性及自发反应幅度的影响。研究发现b i c u c u l l i n e 对长 期吗啡暴露猫的作用显著小于对对照猫的作用，这说明长期吗啡暴露对抑制系统 产生了明显的影响。另一方面，施加g a b a 可以显著提高长期吗啡暴露猫初级 视皮层神经元的方位选择性，长期吗啡暴露猫初级视皮层神经元表现出了与对照 猫神经元相近的反应特性，这说明长期吗啡暴露对初级视皮层抑制系统的损伤要 大于对兴奋性系统的损伤。 通过实验研究加深了我们对抑制强度与方位选择性强度之间关系的理解： 神经元方位选择性的强弱与其接收的皮层抑制性输入的强度相关，方位选择性弱 的神经元接收的皮层抑制输入相对较弱，而强方位选择性神经元接收的皮层抑制 输入较强。研究证明通过微电泳施加g a b a 的方式可以使接收抑制输入较弱的 神经元方位选择性上升，这对恢复由长期吗啡暴露导致的初级视皮层功能的下降 可能很有帮助。 关键词：猫1 7 区方位选择性抑制吗啡g a b ab i c u c u l l i n e i i a b s t r a c t ab s t r a c t t h eg r e a tm a j o r i t yo fn e u r o n si nt h ep r i m a r yv i s u a lc o r t e xa r et u n e df o rl o c a l a t t r i b u t e so ft h ei m a g e ，s u c ha ss t i m u l u so r i e n t a t i o na n ds p a t i a lf r e q u e n c y t h e d i s c o v e r yo fo r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t yo fn e u r o n si np r i m a r yv i s u a lc o r t e xi sr e c o g n i z e d a sak e yd e v e l o p m e n ti nv i s u a ln e u r o s c i e n c e t h er e l a t i v ec o n t r i b u t i o n so fe x c i t a t i o n a n di n h i b i t i o ni ng e n e r a t i o no r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t ys e r v ea sam o d e lp r o b l e mf o rh o w s y n a p t i cc i r c u i t r yo f t h ec o r t e xp e r f o r m sa c o m p l e xc o m p u t a t i o n h o w e v e r , t h er o l eo fi n h i b i t i o ni ne s t a b l i s h i n gs h a r po r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t yi s s t i l ld e b a t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ho fi n h i b i t i o na n do r i e n t a t i o n s e l e c t i v i t yi su n c l e a r t oi n v e s t i g a t et h i sr e l a t i o n s h i p ，w ee l e c t r o p h o r e t i c a l l ya p p l i e d t h ei n h i b i t o r yt r a n s m i t t e rg a b aa n dt h eg a b a aa n t a g o n i s tb i c u c u l l i n eo nt h es a m e i n d i v i d u a la r e a17n e u r o n si na n e s t h e t i z e dc a t s n e u r o n sw e r ec l a s s i f i e da sw e a k l y o r i e n t a t i o n s e l e c t i v e ，m o d e r a t e l y o r i e n t a t i o n s e l e c t i v e ， o r s t r o n g l y o r i e n t a t i o n s e l e c t i v e ，a c c o r d i n gt ot h ev a l u e so fa no r i e n t a t i o nb i a si n d e x o r i e n t a t i o n b i a s ，h a l f - w i d t ho ft h et u n i n gc u r v ea th a l f - h e i g h ta n da no r i e n t a t i o n - s p e c i f i c i t yi n d e x w e r ec o m p a r e dw i t ho rw i t h o u tg a b aa n db i c u c u l l i n ea d m i n i s t r a t i o n g a b a i m p r o v e d o r i e n t a t i o n s e l e c t i v i t y w i t ht h e g r e a t e s t e f f e c t so n w e a k l y o r i e n t a t i o n s e l e c t i v ec e l l s ，s m a l l e re f f e c t so nm o d e r a t e l yo r i e n t a t i o n - s e l e c t i v ec e l l s ， a n dm i n i m a le f f e c t so ns t r o n g l yo r i e n t a t i o n - s e l e c t i v ec e l l s ；b i c u c u l l i n ed i m i n i s h e d o r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t yt h em o s to nm o d e r a t e l ya n ds t r o n g l yo r i e n t a t i o n - s e l e c t i v ec e l l s ， w i t hm i n i m a le f f e c t so nw e a k l yo r i e n t a t i o n - s e l e c t i v ec e l l s ；t h ec h a n g e so fo r i e n t a t i o n s e l e c t i v i t yd u r i n gg a b a a n db i c u c u l l i n ea d m i n i s t r a t i o nw e r ed u et oc h a n g e so fb o t h b a n d w i d t ha n do r t h o g o n a l o p t i m a lr e s p o n s e s w ea l s of o u n dt h a to r i e n t a t i o n s e l e c t i v i t yc o r r e l a t e dw i t ht h el e v e lo f n e u r o n ss p o n t a n e o u sa c t i v i t y , c e l l sw i t hh i g h e r o r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t yh a dl o w e rs p o n t a n e o u sr a t e s t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tc e l l s w i t hw e a ko r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t ym a yb ea c c o u n t e df o rb yi n s u f f i c i e n ti n h i b i t i o n ，a n d t h o s ew i t hs t r o n gs e l e c t i v i t yt e n dt or e c e i v es t r o n gi n h i b i t i o n c h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r ec o u l da f f e c tt h ev i s u a lr e s p o n s ep r o p e r t i e so fa r e a 17n e u r o n si nc a t ，a n dl e a dt od e c r e a s e do r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t ya c c o m p a n i e db yt h e i n c r e a s eo f s p o n t a n e o u sa c t i v i t y a v a i l a b l e e v i d e n c e s s u g g e s t e d t h a tt h e m o r p h i n e - d e r i v e dd e g r a d a t i o no fg a b a e r g i ci n h i b i t i o ni nv i s u a ls y s t e mm a yb ea n i m p o r t a n t m e c h a n i s mu n d e r l i e dt h ef u n c t i o nd e g r a d a t i o no fv 1n e u r o n s i f i i i a b s t r a c t g a b a m e d i a t e di n h i b i t i o nd e g r a d e sd u r i n gc h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r e ，a c c o r d i n g o u rr e s u l t s ，t h e nt h ea p p l i c a t i o no fg a b ao ni n d i v i d u a la r e a17c e l l sc a ni m p r o v e v i s u a lf u n c t i o ni nc h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r ec a t s t ot e s tt h i sh y p o t h e s i s ，w eh a v e n o ws t u d i e dt h ee f f e c t so fe l e c t r o p h o r e t i ca p p l i c a t i o no fg a b aa n db i c u c u l l i n eo nt h e o r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t ya n ds p o n t a n e o u sa c t i v i t yi nc h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r ec a t s b i c u c u l l i n ee x e r t e dam u c hw e a k e re f f e c to nn e u r o n a lr e s p o n s e si nc h r o n i cm o r p h i n e e x p o s u r et h a ni nc o n t r o lc a t s ，c o n f i r m i n gad e g r a d a t i o no fg a b a m e d i a t e di n h i b i t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea d m i n i s t r a t i o no fg a b ar e s u l t e di ni m p r o v e do r i e n t a t i o n s e l e c t i v i t y ，m a n yt r e a t e dc e l l si na r e a17o f c h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r ec a t sd i s p l a y e d r e s p o n s e st y p i c a lo fc o n t r o lc e l l s t h eb o d yo fe v i d e n c et h a ti sp r e s e n t e dh e r es i g n i f i c a n t l ya d v a n c e so u r k n o w l e d g eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n h i b i t i o ns t r e n g t ha n do r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t y c e l l sw i t hw e a ko r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t ym a yb ea c c o u n t e df o rb yi n s u f f i c i e n ti n h i b i t i o n ， a n dt h o s ew i t hs t r o n gs e l e c t i v i t yt e n dt or e c e i v e ds t r o n gi n h i b i t i o n a d m i n i s t r a t i o no f g a b ac o u l dr e s u l ti ni m p r o v e do r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t yi nc h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r e c a t s t h ep r e s e n tr e s u l t sh a v ei m p o r t a n ti m p l i c a t i o n sf o rt h et r e a t m e n to ft h ef u n c t i o n d e c l i n e sd u r i n gc h r o n i cm o r p h i n ee x p o s u r e k e yw o r d s ：c a t ；a r e a 17 ，o r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t y , i n h i b i t i o n ，m o r p h i n e ，g a b a ， b i c u c u l l i n e i v 论文原刨性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：蕉也型 z 矽年，乙月日 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 1 1 摘要 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 有关方位选择性形成机制的模型，最早的是h u b e l 和w i e s e l 提出的兴奋性 前馈模型。在这个模型中，h u b e l 和w i e s e l 认为初级视皮层神经元的方位选择性 来源于外侧膝状体核中继神经元的规则排列，最近的一些实验直接观测到了这种 有序的排列。但是兴奋性前馈模型却无法解释某些后来发现的初级视皮层神经元 所具有的反应特性。例如，初级视皮层神经元方位调谐曲线的波宽不随刺激对比 度的改变而改变等。兴奋性前馈模型无法解释这些现象是由于其只考虑了初级视 皮层神经元接收的兴奋性输入，而没有充分考虑抑制在方位选择性形成过程中所 发挥的作用。后来，一些研究人员通过使用在细胞周围电泳药物拮抗皮层内抑制 性系统的作用、静息记录位点周围神经元反应等手段，证明了抑制在初级视皮层 神经元方位选择性的形成过程中发挥了非常重要的作用。但同时也有一些实验表 明似乎抑制对某些初级视皮层神经元方位选择性的形成来说不是必需的。这种研 究结果上的不一致预示着抑制与初级视皮层神经元方位选择性的关系可能非常 复杂。 1 2 引言 绝大多数肉食性动物以及灵长类动物的初级视皮层神经元都会对刺激图形 的朝向( 方位) 具有选择性。具有方位选择性( o r i e n t a t i o ns e l e c t i v i t y ) 是初级视 皮层( p r i m a r yv i s u a lc o r t e x ) v 1 区( 皮层1 7 区) 神经元的重要特性之一。但是， 大部分向初级视皮层神经元进行投射的外侧膝状体核( 1 a t e r a lg e n i c u l a t en u c l e u s l g n ) 中继神经元却对各个朝向的刺激产生基本相同的反应，位于外侧膝状体核 的中继神经元基本没有方位选择性或者只具有较弱的方位选择i 生( d a n i e l se ta 1 19 7 7 ，v i d y a s a g a ra n du r b a s ，19 8 2 ，s h o ua n dl e v e n t h a l ，19 8 9 ) 。从外侧膝状体核神 经元基本没有或只具有较弱的方位选择性到初级视皮层传入神经元( 例如v 1 区 第1 v 层神经元) 具有较强的方位选择性，视觉信息只经过了一次突触传递，如 此简单的传递过程却引起了神经元反应特性的巨大变化，因此方位选择性及其形 成机制从被发现以来就一直是视觉研究领域的一个热点，方位选择性的形成机制 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 模型也成为了解大脑皮层神经回路连接方式以及皮层神经元工作方式的重要模 型( f e r s t e ra n dm i l l e r , 2 0 0 0 ) 。 方位选择性的形成依赖于非常复杂的神经网络的处理。简单来说，初级视皮 层神经元的强方位选择性形成于外侧膝状体核中继神经元与皮层神经元之间的 单突触连接。但是，这些初级视皮层神经元有成千上万不同来源的输入性连接， 如来自于丘脑的兴奋性输入连接，皮层内神经元间的兴奋性连接，皮层内神经元 间的抑制性连接等等。为了了解方位选择性的形成机制，我们不仅仅需要知道这 些初级视皮层神经元接收了哪些信息输入，还要知道皮层神经元如何对这些信息 进行处理以及这些信息之间的关系如何。 1 3 神经元方位选择性简介 1 3 1 方位选择性 神经元对处于其感受野中刺激图形的朝向具有选择的特性称为方位选择性 ( h u b e la n dw i e s e l ，1 9 6 2 ) 。如果刺激图形的朝向与神经元的最优方位( o p t i m a l o r i e n t a t i o n ) 相同，那么此时神经元的反应( r e s p o n s e ) 最为强烈；如果刺激图形 的朝向与神经元的最优方位垂直( 垂直方位，o r t h o g o n a lo r i e n t a t i o n ) ，那么神经 元反应最弱( 图1 1 ) 。刺激图形从最优方位向垂直方位变化时，神经元的反应会 随之逐渐减小。神经元的这种反应特性在初级视皮层被强化，成为初级视皮层神 经元的重要特性之一，而外侧膝状体核中继神经元的方位选择性则相对较弱，它 为初级视皮层方位选择性的形成提供了初步的准备( z h o ue ta 1 。1 9 9 5 ) 。 2 i at ! 三 l b 仝b n q 吣一 ，烈 u 弋f k 必 。廿母 t 咖卜一 卜_ 一g ，斧 七111 h 孝一 t j l 一一 o123 c i 1 【_ j o123l l e c 图1 i 神经元对刺激图形朝向有选择性 图注：图左条带的朝向代表刺激图形的朝向，右边短竖线代表神经元发放。 图中所示神经元在刺激图形的朝向为9 0 度( e ) 时神经元发放最强 烈；而在其垂直方位0 度( a ) 神经元发放最弱。( 修改自e r i cr k a n d e l 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 e ta 1 e s s e n t i a l so fn e u r a ls c i e n c ea n db e h a v i o r , 2 0 0 3 ) 1 3 2 方位选择性强度的表征方式 现阶段对方位选择性强度的表征主要有三种方式：( 1 ) 方位偏爱指数o b ( o r i e n t a t i o nb i a s ) ，( 2 ) 方位调谐曲线半高半波宽h w h h ( h a l f - w i d t ho ft h e t u n i n gc u r v ea th a l f - h e i g h t ) ，( 3 ) 方位特异性指数o s i ( o r i e n t a t i o n s p e c i f i c i t y i n d e x ) 。这三种表征方式各有优缺点：方位偏爱指数是对整个方位调谐曲线的整 体描述，它可以全面的描述方位调谐曲线的特征，但是缺点是它对记录时的偶然 噪音非常敏感；方位调谐曲线半高半波宽和方位特异性指数虽然对偶然噪音不敏 感，但是二者都不能全面的描述方位调谐曲线的特征，方位调谐曲线半高半波宽 只能对方位调谐曲线最优方位峰值附近的特征进行描述，而方位特异性指数则只 能对最优方位和最优方位垂直方位的反应特征进行描述。 方位偏爱指数o b 方位偏爱指数o b 的计算方法是将细胞在每个刺激方位下的反应值以矢量 方式进行加和，然后用加和后的矢量值除以矢量模的和即可得到矢量形式的方位 选择性指数。矢量形式的方位选择性指数其方向即代表神经元的最优方位，其模 的大小( 即方位偏爱指数o b ) 表征了细胞方位选择性的强弱。方位偏爱指数o b 的取值范围是从o 到1 ，如果方位偏爱指数等于0 ，那么说明细胞完全不具有方 位选择性，如果方位偏爱指数等于1 ，那么说明细胞只对一个方位的刺激产生 反应。虽然理论上方位选择性指数的取值范围是从0 到1 ，实际在初级视皮层中 记录到的神经元，其方位选择性指数绝大部分只分布于0 - 0 7 5 之间( l e v e n t h a le t a 1 ，1 9 9 5 ) 。 方位偏爱指数o b 的计算公式： = 其中凡代表神经元在刺激光栅方位为o k ( 以弧度为单位) 时的平均发放数 方位调谐曲线半高半波宽h w h h 方位调谐曲线半高半波宽是对方位调谐曲线最优方位峰值附近的特征进行 描述的参数，它表征了细胞在最优方位附近对刺激图形朝向改变的敏感性。计算 细胞的方位调谐曲线半高半波宽，需要首先得到细胞的方位调谐曲线；然后使用 v o nm i s e s 方程对曲线进行拟合： 3 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 r = r p e i c o s 2 ( 口一咋) 一1 】 r 代表在刺激光栅方位为0 时细胞的反应幅度；r p 代表当刺激光栅方位为 细胞最优方位e p 时细胞的反应幅度；k 是拟合曲线波宽参数，代表了方位调谐 曲线的波宽。然后通过下面的方程得到方位调谐曲线半高半波宽h w h h ： h w h h ：o 5a r c c o s 亡堕堂) 、 k 。 方位调谐曲线半高半波宽的取值范围是从0 度到9 0 度，值越大说明细胞在 最优方位附近对刺激图形朝向改变的敏感性越弱，细胞的方位选择性越差。 方位特异性指数o s i 方位特异性指数o s i 对最优方位和最优方位垂直方位的反应特征进行描述， 而对其他方位的反应特征不予考虑。我们通常认为，如果细胞对刺激图形朝向等 于最优方位时产生的反应幅度和朝向垂直于最优力位时的反应幅度相差越大，细 胞的方位选择性就越强。使用方位特异性指数我们可以很容易的表征细胞方位选 择性的强弱。 方位特异性指数使用下面的方程进行计算： ，、。，、，垂直方位时反应幅度、，、。 d 甜( ) = ( 1 一氲i g 茜h 蔷蒜1 0 0取刀比h y 胜旧发 方位特异性指数的取值范围是从o 到1 0 0 ，值越大说明在最优方位的反 应幅度与垂直于最优方位的反应幅度相差越大，细胞的方位选择性越强。 1 4 方位选择性的形成 1 4 1 兴奋性前馈模型( h & wf e e d f o r w a r dm o d e l ) h u b e l 和w i e s e l 于1 9 6 2 年首次描绘了猫初级视皮层神经元的方位选择性 ( h u b e la n dw i e s e l ，1 9 6 2 ) ，同时他们提出了兴奋性前馈模型对这一方位选择性的 形成机制进行了解释。h u b e l 和w i e s e l 的兴奋性前馈模型认为，在猫初级视皮层 中，简单细胞( s i m p l ec e l l ) 的方位选择性完全来自于丘脑外侧膝状体核中继神 经元的兴奋性输入，而复杂细胞( c o m p l e xc e l l ) 则是接收了皮层中简单细胞的 投射( 图1 2 ) 。尽管这种信息分层处理模型的具体形式从提出概念以来就一直是 各方争论的焦点，但是现在可以肯定的是猫初级视皮层神经元方位选择性确实产 生于丘脑皮层连接( t h a l a m o c o t i c a ls y n a p s e ) 这一环节( h i r s c ha n dm a r t i n e z ，2 0 0 6 ) 。 4 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 图1 2h u b e l 和w i e s e l 提出的兴奋性前馈模型 图注：h u b e l 和w i e s e l 的兴奋性前馈模型认为猫初级视皮层简单细胞( s i m p l e c e l l ) 的方位选择性完全来自于丘脑外侧膝状体核中继神经元的兴奋性 输入( 左) ，而初级视皮层中复杂细胞( c o m p l e xc e l l ) 则是接收了皮 层中简单细胞的投射( 右) 。( 修改自e r i cr k a n d e le ta 1 ，e s s e n t i a l so f n e u r a ls c i e n c ea n db e h a v i o r , 2 0 0 3 ) 简单细胞的感受野( r e c e p t i v ef i e l d ) 由相邻的呈条带状分布的o n ( 给光反 应) 和o f f ( 撤光反应) 亚区构成，这些亚区的长轴与细胞的最优方位平行( 图 1 3a ) 。复杂细胞的感受野虽不能用直接的闪光刺激看到o n 亚区和o f f 亚区分 布( 复杂细胞感受野对给光刺激和撤光刺激均有反应) ，但复杂细胞会有二阶的 o n 亚区和o f f 亚区呈条带状分布( 图1 3b ) ( g a s k ae ta 1 ，1 9 9 4 ) ，这些亚区的 长轴同样与细胞的最优方位平行。对于简单细胞来说，感受野o n 亚区和o f f 亚区对光刺激的反应模式与o n 中心( o nc e n t e r ) 或o f f 中心( o f fc e n t e r ) 的 外侧膝状体中继神经元十分类似。因此，h u b e l 和w i e s e l 认为简单细胞感受野的 o n 亚区和o f f 亚区是由外侧膝状体中继神经元直接驱动的。根据他们的理论， 简单细胞感受野的一个o n 亚区是由一系列感受野沿该亚区长轴排列的o n 中心 外侧膝状体中继神经元的兴奋性输入形成的( 图1 2 左) ；一个o f f 亚区是由一 系列o f f 中心中继神经元的兴奋性输入形成的。 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 ， ，“- 、 t ，、 够：殇 缪? 、一 - 0 ， ，一 、 ， x ( d e g ) x ( d e g ) 图1 3 初级视度层神经元感受野示意图 图注：对于简单细胞来说( a ) ，在o n 亚区( 实线) 给光或者在o f f 亚区 ( 虚线) 撤光刺激可以兴奋这个细胞；而在o f f 亚区给光或者在 o n 亚区撤光刺激则会抑制这个细胞。简单细胞感受野亚区的组成 是多种多样的，例如中心o n 两边o f f 或者一个o n 亚区一个o f f 亚区等。复杂细胞的感受野对给光刺激和撤光刺激均有反应，但 是其感受野对于同时给与的两个刺激的属性及相对位置却有选择 性，其二阶感受野亚区同样呈现条带状分布( b ) 。( g a s k ae ta 1 ，1 9 9 4 ， d e a n g e l i se ta 1 ，l9 9 5 ) 通过h u b e l 和w i e s e l 的兴奋性前馈模型可以很容易的理解初级视皮层简单 细胞方位选择性的形成机制。一个与o n 亚区长轴具有相同朝向的光棒( 1 i g h tb a r ) 在o n 亚区中运动或闪烁时会同时兴奋很多与其相连的o n 中心外膝体中继神经 元，这些外膝体中继神经元的兴奋性输入则会使皮层细胞去极化产生动作电位。 如果光棒的朝向与o n 亚区的长轴有非常明显的偏差的话，光棒所能同时刺激的 与简单细胞直接连接的外侧膝状体中继神经元的数量就会大大减少，那么此时外 膝体中继神经元的兴奋型输入将不足以使皮层细胞去极化达到阂值产生动作电 位，皮层细胞便不会发放。由此，细胞就形成了对刺激图形朝向具有选择的特性。 由于h u b e l 和w i e s e l 的兴奋性前馈模型认为细胞的反应完全来自于前级神 经元的兴奋性输入，而且前级神经元对刺激图形的方位选择仅仅依赖于其空间排 列方式( 感受野结构) ，那么兴奋性前馈模型就可以认为是由一个线性加和过程 ( 感受野结构) 与一个非线性的整流过程( 动作电位阈值) 构成的。即简单细胞 的细胞膜首先对外膝体神经元的输入信息进行线性加和，然后动作电位阈值过滤 这些加和后的信息从而形成具有方位选择性的细胞反应。根据h u b e l 和w e i s e l 的前馈模型，m o v s h o n 在1 9 7 8 年( m o v s h o ne ta 1 ，1 9 7 8 ) 提出了线性非线性前馈模 型( 1 i n e a r - n o n l i n e a rf e e d f o r w a r dm o d e l ) 。这个模型由线性时空过滤器( 1 i n e a r s p a t i o t e m p o r a lf i l t e r ) 部分和半波整流( h a l f - w a v er e c t i f i c a t i o n ) 部分构成( 图3 ) 。 其输入是刺激图形属性，输出是细胞的发放率。 6 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 线性过滤半波整流 r _ 。o 。1p o _ o 。o 。1 输入卜叫h ( x , y , o 卜叫西( ) 卜输出 1 _ _ - 1 _ - _ - - 一i _ - _ - _ - - _ _ - - _ 一 图1 4 线性非线性前馈模型 图注：线性非线性前馈模型的输入是刺激图形的亮度及空间属性。图形首先经过 感受野空间结构的线性过滤，然后信息经过细胞膜的半波整流过程形成细 胞发放( 输出) 。 1 4 2 支持兴奋性前馈模型的证据 感受野组成和方位调谐( o r i e n t a t i o nt u n i n g ) 宽度 对于简单细胞o n 亚区和o f f 亚区来说，其反应特性与外侧膝状体核中o n 中心和o f f 中心中继神经元在根本上有很多相似性。例如，二者对闪烁光棒的 反应特性类似( m u l l i k i ne ta 1 ，1 9 8 4 ) ，对正弦光栅刺激的反应特性类似( s a u la n d h u m p h r e y ，1 9 9 2 ) ，感受野空间线性加和特性类似( j a g a d e e s he ta 1 ，1 9 9 2 ) 。同时， 初级视皮层简单细胞感受野亚区同样会表现出外膝体中继神经元x 细胞 ( x c e l l ) 、y 细胞( y - c e l l ) ，延迟( 1 a g g e d ) 细胞和非延迟( n o n l a g g e d ) 细胞的 反应特性( d e a n g e l i se ta 1 ，1 9 9 5 ) 。而且，简单细胞感受野亚区的宽度与相同离心 度的外膝体中继神经元感受野中心的宽度基本相同( b u l l i e re ta 1 ，1 9 8 2 ，m u l l i k i n e ta 1 ，1 9 8 4 ，r e i da n da l o n s o ，1 9 9 5 ) 。这些证据都表明初级视皮层简单细胞感受野 亚区可能是由对应外侧膝状体核中继神经元的直接输入形成的。 根据兴奋性前馈模型对初级视皮层简单细胞方位选性形成机制的解释，那么 简单细胞感受野亚区的长宽比( 1 e n g t h t o 。w i d t hr a t i o ) 应该与细胞的方位选择性 强度相关。如果简单细胞感受野亚区长度越长而宽度越窄的话，那么刺激方位稍 稍偏离感受野贬区长轴方位就会使感受野亚区接受的刺激大大减少，从而使简单 细胞的反应大大减小。也就是说，简单细胞感受野亚区的长宽比越大，那么细胞 对最优方位刺激和垂直于最优方位刺激的反应差别就越大，细胞的方位调谐曲线 ( o r i e n t a t i o nt u n i n gc u r v e ) 也就越尖，细胞的方位选择性就越好。为了测试这一 预言，j o n e s 和p a l m e r ( j o n e sa n dp a l m e r , 19 8 7 a ，b ) $ 1 j 用反相关( r e v e r s e c o r r e l a t i o n ) 分析技术分析细胞反应强度与快速闪烁刺激图形之间的关系，得到了相对精细的 初级视皮层神经元感受野地图，测量得到的简单细胞感受野亚区的平均长宽比约 为5 ，最小1 7 ，最大1 2 。g a r d n e r 等( g a r d n e re ta 1 ，1 9 9 9 ) 也得到了类似的结果。 j o n e s 和p a l m e r 以及g a r d n e r 等都发现简单细胞的方位选择性强度与感受野亚区 的长宽比有很强的相关性：感受野亚区的长宽比越大，方位调谐曲线就越尖。不 7 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 过测量得到的方位调谐曲线要比由感受野亚区长宽比预测的方位调谐曲线窄，这 也许是由于动作电位发放阈值所引起的。如果使用正弦光栅作为刺激图形的话， 根据兴奋性前馈模，随着刺激图形空间频率( s p a t i a lf r e q u e n c y ) 的升高，方位调 谐曲线的宽度应该会变窄( t r o y e re ta 1 ，1 9 9 8 ) 。同样，有很多研究观察到了这一现 象( v i d y a s a g a ra n ds i g u e n z a ，i9 8 5 ，w e b s t e ra n dd ev a l o i s ，i9 8 5 ，j o n e se ta 1 ，19 8 7 ， h a m m o n da n dp o m f r e t t 19 9 0 ) 。 外膝体中继神经元的空间排列 兴奋性前馈模型的一个很重要的预测是外膝体中继神经元具有特定的空间 排列方式。t a n a k a 和r e i d ( t a n a k a ，1 9 8 3 ，r e i da n d a l o n s o ，1 9 9 5 ) 的研究直接证实了 o n 中心和o f f 中心中继神经元分别排列于与其相连的简单细胞感受野对应亚 区中。他们发现对于同时记录到的外膝体中继神经元和皮层简单细胞来说，如果 中继神经元感受野中心与对应的简单细胞感受野亚区重叠，那么这两个神经元之 间就存在功能性的连接。也就是说，当一个o n 中心的中继神经元感受野与简单 细胞o n 亚区重叠时或者一个o f f 中心的中继神经元感受野与简单细胞o f f 亚 区重叠时，这两个神经元之间会有直接的连接存在( 图1 5 ) ，而且突触连接的强 度还与感受野重叠的程度相关( r e i da n d a l o n s o ，1 9 9 5 ) 。相反，一个o n ( 或o f f ) 中心的中继神经元则很少与和其有重叠o f f ( 或o n ) 亚区的简单细胞有直接连 接。c h a p m a n 等的研究( c h a p m a ne ta 1 ，1 9 9 1 ) 也同样支持外膝体输入的特定空间 排列是形成方位选择性的原因。他们证明在雪貂视皮层中，丘脑皮层投射所代 表的空间位置分布于一个条带状的区域，其排列方位与皮层细胞的最优方位相 同。 图1 5 外膝体中继神经元感受野与初级视皮层简单细胞感受野亚区的关系 第一章绪论i 抑制与初级视皮层神经元方位选择性 图注：圆形代表外膝体中继神经元感受野中心。对外膝体中继神经元和皮层简单 细胞进行同时记录，二者的细胞发放具有高度的相关性，这说明中继细胞 和简单细胞之间是单突触连接。图中细线代表外膝体中继神经元