电压敏感染料成像vsdi技术的研究进展

电压敏感染料成像vsdi技术的研究进展

研究神经元的群体活动从第一感觉处理和运动协调到高级意识和思维活动，我们需要与数千万个计算的神经元相结合，并创建一个功能网络。这张网络错综复杂,只监视其中单一或少数神经元的活动很难解释脑的功能,就像只看电视机屏幕上的少数像素不能理解剧情一样。所以,研究神经元的群体活动对了解脑的功能有重要意义。统观各种神经电生理研究方法:微电极和膜片钳等方法多被用来在微观尺度上记录少数几个神经元的电信号,脑电图、脑磁图和功能核磁共振等技术常被用在宏观尺度上记录大规模的脑活动。而在这两类方法之间的介观尺度(mesoscopicscale,即时间尺度为1～100ms、空间尺度为10～10000μm的量级)上,应用电压敏感染料和光学成像(voltagesensitivedyeandopticalimaging,VSDI)技术,可以获得很好的时空分辨率,使得我们可以在神经元群体、皮层功能柱等层次上,研究脑的信息处理、记忆形成、功能可塑性及病理过程等,以进一步解释脑的功能。pubmed对传统电压敏感染料成像技术的应用从上世纪40年代起,Hill和Keynes已开始利用光学方法对神经元的电活动进行实验记录。当时探测到的光学信号主要是由光在神经组织里的散射引起的,称作“内源性光信号”,其缺点是信号微弱且远慢于神经电活动。Tasaki等最早将一种电压敏感染料(voltagesensitivedye,VSD)应用于乌贼巨轴突的电生理研究中,以增加光学信号的强度。这种用染料帮助产生的光信号相应地被称作“外源性光信号”。染料分子吸附在神经细胞膜的外表面,而细胞脂膜的厚度只有3nm左右,当神经细胞兴奋而产生动作电位时,虽然电压只有0.1V左右,相应的电场强度却可以达到3×107V/m,足以影响吸附在细胞膜上的染料分子的结构,或影响分子周围的微环境,使得染料分子对光的吸收光谱或荧光光谱产生变化。实验表明,染料分子对光的吸收谱或荧光谱的变化与膜电位的变化在很大范围内是线性的关系,并且能达到微秒级的响应速度,因此,电压敏感染料信号可以忠实地记录单个动作电位(图1)。从上世纪70年代起,Cohen研究组(图2)就系统地开展了电压敏感染料光成像技术的研究。他们筛选了近千种化合物以找到一种实用的染料,该染料既可以与神经元细胞膜稳定结合,又能比较方便地透过神经细胞的外围组织染到细胞。这些从早期工作中找到的染料直到今天仍在使用。在Cohen小组的影响下,寻找染料的工作由最先的发展电压敏感染料成像技术延伸到发展钙离子敏感染料成像技术,由发展神经活动的光记录延伸到其他荧光探测分子的成像技术。这些技术到今天都已经形成了独立的大领域,对生命科学的贡献也远远超过了电压敏感染料成像技术,而电压敏感染料成像技术却始终是一个很小的研究领域。到目前为止,在PubMed中搜索到的应用电压敏感染料成像技术进行神经科学研究的相关论文只有2000篇左右。在世界范围内,近十年来使用此技术发表5篇以上论文的小组也只有约20个(表1)。限制这个领域发展的主要原因有两个:一是其光信号太弱,由膜电位变化引起的染料信号变化只有静息时背景光强的万分之一到百分之一;二是选择性差,化学染料对神经细胞或胶质细胞没有选择,对神经细胞中的兴奋或抑制细胞也没有选择。相比之下,钙敏感染料的信号是静息光强的0.1倍甚至几倍。而近年来高速发展的“光学遗传学”(optogenetics)方法可以将病毒携带的钙敏感染料的基因,精确地在一类特异的兴奋或抑制细胞上选择性表达;还可以携带光敏离子通道,达到同时用光学方法选择性地刺激和记录不同种类神经细胞的目的。看起来,传统的电压敏感染料似乎已经大大地落后了。但是钙敏感染料的时间分辨率很低,只能达到百毫秒数量级,比一般神经电活动都要慢。因此,要研究神经活动的动态过程,传统电压敏感染料目前仍是最有效的工具。比如,在大脑皮层上出现的螺旋波每秒要转十圈左右,因此要求染料的时间分辨率至少要达到毫秒数量级。由于篇幅所限,本文只介绍“快信号”电压敏感染料技术及其在神经元群体活动(populationactivity)方面的应用实例。抗光催化机实验VSD的信号小并不是指光强度低,而是指信号只是背景光上的一个小变化,其相对幅度只有10-5～10-2;另外,信号变化很快,像神经动作电位只有不到2ms,皮层上的群体活动也只能持续几十毫秒。这种又小又快的信号不可能被眼睛看到,也不可能被普通CCD和CMOS照相机记录到。为了记录VSD信号,Cohen小组在1970年左右发展了一种技术,让成像装置的每个像素拥有自己独立的两级放大器,这样就能忽略背景光的直流成分而只放大其变化,可以有效地记录10-5的小信号。最初的“成像”装置只有十几个像素(图3A),后来把光敏二级管做成二维阵列,达到124和464像素(图3B、C)。因为每个光敏二级管都要有一根输出线,整个装置需要几百个高灵敏度的放大器,因此要达到更高的空间分辨率就比较困难了。现代CCD相机虽有几百万像素,比这种装置的空间分辨率高几万倍,但所有像素只能通过一个或少数几个通道输出,整个系统只有一个到少数几个放大器,因此其信噪比远不如光电二极管阵列。图4所示为这种设计的一种商用装置,其型号为WuTech-469V。这个系统使用469个单个光电二级管,并用一束光导纤维把成像平面上的光信号低损耗地馈给每个二极管,这样就避免了集成电路二极管阵列低效率、低可靠性和极高设计价格的缺陷。此装置还同时把464个放大器紧凑地装在同一个小盒子里,使之能稳定工作,互不干扰。这个系统是目前使用VSD成像技术研究神经元群体活动的一种实用工具,已经在全球60多个实验室中应用。值得一提的是,虽然在理论上可以通过增加更多的像素来进一步提高空间分辨率,但实际上是没有必要的,因为信号噪声比是由光子的数量决定的,增加空间分辨率会减少到达每个像素上光子的数目,并不能提高成像的质量。图5A所示为进行整体动物实验时所采用的VSDI实验装置。成像装置采用荧光显微镜,将短波长激发光投射到大脑皮层表面,把染料产生的荧光收集并投射到二极管阵列上。这个装置使用特殊的镜头,牺牲了一定的空间分辨率来换取百倍高的光通量。因为二极管阵列只有几百个像素,对镜头的空间分辨率要求不高,而提高光通量则更为重要。图5B和C显示皮层上的VSD信号来源。染料RH1691是Grinvald小组在上世纪90年代合成的,其激发光为红黄色(630nm),荧光为深红色(>690nm),这样的荧光光谱可以避开血红蛋白的吸收峰,大大地减少了由于脑组织中血液循环造成的光干扰。从染色组织的截面上看,通过皮层表面的染料主要集中在新皮层的Ⅱ、Ⅲ层,这里是VSD信号的主要来源。图6所示为VSD信号与皮层上脑电记录的比较。当麻醉比较深的时候(1.5%isoflurane),脑电呈间歇簇状放电形式,VSD信号也可以记录到相应的簇状放电信号。在同一个动物的同一个记录点上,当麻醉水平降低的时候(1.1%isoflurane),脑电呈睡眠状波动(2～5Hz),而VSD信号也记录到相应的波动。这说明VSD信号虽小,但灵敏度可以与脑电记录相当。从光和电信号的比较来看,二者的波形略有不同,原因是脑电信号与局部电流有关,一个比较强的电流源,即使在远处也会被脑电电极记录到;而VSD信号来自细胞膜上的染料,只记录本地膜电位的变化而不受远处强信号源的干扰。由于这种区别,VSDI可以在几毫米直径的成像野内观测几百个点的电位变化,其空间分辨率远远高于多导脑电记录。从理论上讲,用双光子成像方法可以进一步提高空间分辨率。因为用双光子方法只会在镜头焦点附近的染料处产生荧光,这样就可以大大减少非焦点处组织的散射光,以提高成像质量。但在实践中,用双光子显微镜记录VSD信号,目前还没有实际应用,这主要是因为:双光子成像需要两个光子几乎同时打到一个染料分子上,才能使之发出荧光,这样,其亮度就远远低于普通的荧光显微镜。由光子流不均匀产生的噪音叫做“散粒噪声”(shotnoise)或肖特基噪声,散粒噪声与亮度的平方根成正比,而同时,光信号的幅度与亮度成正比。这样,VSD方法的信噪比就与亮度的平方根成正比。目前最好的电压敏感染料的信号大约是静息光亮度的10%左右,但是,神经动作电位只有1ms时程,在这么短的时间内,双光子散粒噪声往往达到30%左右,使信号淹没在噪声中。与此相比,钙敏感染料的信号也在10%左右,但因为其信号的时程在100ms左右,在同样的光强下,散粒噪声只有3%。因此,双光子成像可以很容易地记录到钙离子染料的信号。由此可知,要想用双光子方法记录到VSD信号,必须用极强的激光以增加亮度,减少噪声。使用vsdi视觉皮质运动的运动及其朝向选择性的调节视觉是感觉的重要组成部分之一。在视野不同位置的光刺激,会兴奋皮层不同位置的神经元,这种皮层对视觉刺激的空间组织分布称作皮层上的视网膜拓扑图(retinotopicmap)。由于VSDI可获得视觉皮层神经电活动的空间信息,因此,采用VSDI技术能得到许多用单细胞电生理方法看不到的结果。Grinvald等应用VSDI对猴初级视觉皮层(V1)成像的研究表明,除了在V1的Ⅳ层有与视野场相关的空间分布对应关系外,在Ⅱ/Ⅲ层里还有功能柱间水平方向的扩散。Palagina等进一步发现,当视网膜损伤后,损伤投射区(lesionprojectionzone)的神经元会被起源自未受影响皮层区域的活动的传播所激活,证明皮层的水平连接可以弥补由于损伤所致的垂直投射的功能缺失。这些结果说明,V1内的不同皮层功能柱之间的水平连接,可能在视觉信息处理方面有重要的意义。另一个经典的实验是关于线运动错觉(linemotionillusion)的研究。线运动错觉是早期格式塔理论的一个例子,即人在感知一个突然变成长条的小方块时,会认为这个小方块是慢慢变长的,而不是一下子变长的。Jancke等应用VSDI技术研究了这种情况下视觉皮层电活动的时空模式(图7),结果与人所感知到的情形相似。这给早期心理学的格式塔式认知理论提供了证据,支持了自上到下的视觉加工模式。之后,Rangan等通过计算机模拟的研究表明,该现象与皮层间远距离NMDA能神经元的间歇性去抑制有较大关系。但是,Markounikau等借助VSD信号建立的神经场模型说明,形成这样的时空模式也许并不需要更高级皮层的反馈信息。再有,便是对V1朝向选择性的进一步阐释。以前的研究显示,朝向选择性有丘脑前馈输入固有选择性和皮质内在环路的调节作用两种可能机制。Sharon等应用VSDI技术,通过对猫V1染色发现,持续的视觉皮层活动(即前馈机制)并不影响朝向选择性的调节,而皮质内在环路机制会更强地抑制与偏好方向垂直的神经元兴奋。后续的研究又进一步表明,朝向选择性和空间选择性是由驻波和行波两个不同环路引起的,朝向选择性由驻波参与,而空间选择性由行波参与。声音的方位steft声音的音调定位是听觉系统一个很重要的功能。早期的实验证明,不同频率的声音在初级听觉皮层(A1)的定位不同,也形成类似视网膜拓扑图的音调拓扑图(tonotopicmap)。对天竺鼠使用纯音刺激,并用VSDI进行记录,可知低频率声音可以激活A1的喙部,而更高频率的声音可以激活A1的尾部,这与之前观察到的音调拓扑图一致;同时,在听觉皮层内也观察到了与视觉皮层类似的、在Ⅱ/Ⅲ层水平方向传播的神经兴奋活动。人主要通过双耳效应(binauraleffect)辨别声音的方位。如果声源不在人的正前方,而是偏向一边,那么声源到达两耳的距离就不相等,声音到达两耳的时间与相位就有差异,即双耳时间差(interauraltimedifference,ITD)。如果头部侧向声源,到达两耳的声压级会有不同,人会把这种细微的差异与原来存储于大脑的听觉经验进行比较,并迅速作出反应,从而辨别出声音的方位。近期的体内VSDI研究结果表明,不同长短的ITD会激活A1的不同区域。即使在同一个ITD的情况下,激活的区域也会随着时间的推移有很大的变化,但是不同ITD的情况下,激活的区域是不会重叠的。这项研究证实了ITD也有自己特定的胡萝卜干桶状皮质的x射线防护由于啮齿类动物的胡须实验很容易操作,而且相对应的初级躯体感觉皮层(S1)的胡须桶状皮层(whiskerbarrelcortex)是功能柱理论的典型代表,所以躯体感觉皮层的研究主要集中在啮齿类动物的胡须桶状皮层上。实际上,一根胡须的感觉并不只兴奋一个桶状的区域。Fezerou等在小鼠皮层内进行的VSDI研究表明,刺激一根胡须产生的神经电活动会扩散到整个桶状皮层,甚至进一步传播到运动皮层。Sato等进一步证明,通过刺激S1的Ⅳ层,可以观察到兴奋传递至Ⅱ/Ⅲ层,不仅在Ⅱ/Ⅲ层进行水平方向的扩布,并且还会深入传播到Ⅴ/Ⅵ层,引起岛叶皮层的兴奋。胡须桶状皮层也常常被用来研究神经的可塑性。Wallace等通过剥夺大鼠一侧A、B、C三组胡须、保留D、E两组胡须,来观察剥夺后胡须桶状皮层的神经元电活动的模式分布。通过VSDI成像发现,兴奋在对侧E组桶状区域有明显加强,而同侧的D、E区域并没有明显变化。这表明,对侧皮层在胡须桶状皮层拓扑图的形成过程中可能有着比同侧更为重要的意义。VSDI在躯体感觉皮层的损伤修复性研究方面也有应用。Brown等通过中风,损伤成年小鼠一侧S1中主管前肢的FL(frontlimb)区,然后使用VSDI观察神经电活动,以探索FL区是如何重塑恢复的。实验表明,新恢复的区域占据了一部分与损伤同侧的初级躯体运动区域(M1)和主管后肢的躯体感觉区域HL(hindlimb),并向周围有更远的分布以代偿FL区的损伤。嗅球内的复杂神经动力学模式与其他感觉皮层不同,嗅觉皮层错综复杂,含有大量嗅小球结构。一直以来,人们尝试寻找不同的嗅觉刺激与嗅球内神经元兴奋的对应关系。早期,Freeman等的研究发现了兔子分辨气味时嗅球内的复杂神经动力学模式,但变化并不显著。后来,Cohen小组也陆续做了关于嗅觉的研究。他们发现,吸入一种气味可以在嗅球产生三处振荡(图8)。之后,该小组进一步对这个现象进行了实验,发现如果再吸入一种气味,之前产生的两处振荡会受到抑制,而新吸入的气味如果与第一个相同的话,第三处振荡会加强,如果不同则会减弱。然而,通过这些复杂的现象,至今仍无法推论出一个明晰的动力学结果,用以预测气味引发嗅球的活动。vsdi成像技术VSDI在大脑皮层中皮层扩散性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)的研究中也有相应的应用。CSD是由神经元和神经胶质细胞去极化引起的一种慢波,传播速度只有3mm/min,并且具有“全或无”的特点。其形象好比从被刺激点引发,然后向周围扩散成新月形,在皮层、小脑、基底神经节、丘脑、海马等处均可见到。在早期的实验里,通常使用玻璃电极测定直流电势的方法来检测CSD,而且只能得到一维的锋电位信号。使用VSDI技术对大鼠皮层扩散性抑制进行成像,可以通过检测一条与波面平行的弧线,来获得与早期实验相应位点上类似的结果,并有直观的多点时空模式,而且,所得的结果在阈下复极化时更加准确。但更为重要的是,VSDI成像技术可以提供CSD十分直观的二维成像模式,可反映波是如何行进的,并且有着很高的时空分辨率。CSD在人脑的多种病理状态下存在,包括已有明确证据的蛛网膜下腔出血、恶性中风和头部外伤等。另已有文献证明,CSD在传播速度上与偏头痛先兆(migrainevisualaura,MVA)完全匹配,表明CSD可能是偏头痛先兆的根本机制,进一步应用VSDI研究,也许可以获得数据更加精确的电生理记录结果。基于vsdi的癫痫模型癫痫是脑部神经元群阵发性异常放电所致的发作性的运动、感觉、意识、精神、植物神经的功能异常,是一种由多种原因引起的疾病。颞叶癫痫是各种癫痫综合征中最常见的类型,可严重影响患者正常的生活、工作和学习,是中枢神经系统疾病中的一大顽症。VSDI技术可以对颞叶癫痫发病机制的研究提供便利。普遍认为海马的结构在颞叶癫痫发作的产生中有着较为重要的作用,然而,在癫痫发作与海马神经可塑性两者之间的相关性方面仍有争议。近期,Ang等使用VSDI对大鼠海马结构电信号的传递进行了研究,发现由齿状回介导调节的、将信号传入海马的通路,在患有癫痫的动物海马切片中并没有变化,本该相对受到抑制的、从皮层直接传入到CA1区的TA通路(temporoammonicpathway)却被大大加强,认为可能与颞叶癫痫发作相关。之后又有研究证明,这个被大大加强的区域位于临近CA2的CA1区。这些工作为进一步研究药物针对性治疗颞叶癫痫提供了基础。应用传统脑电图记录到的癫痫特征电活动,是一些不同于背景电活动的脑波或复合波,如棘波、棘(尖)慢复合波等,且常以爆发形式出现。马洪涛等应用VSDI对活体大鼠皮层内癫痫样发放进行了研究,发现间期发放和发作状发放有相同的起源过程和传播速度,但这两种发放的起源点的分布不同,间期发放的起源点呈分散分布,而发作状发放的起源点呈簇状分布,间期发放和发作状发放的起源点之间没有明显的时空联系。这一结果为进一步理解癫痫的发作机制做了铺垫。难治性癫痫常常使用手术的方法来治疗,但癫痫病灶的定位却并非易事。丁山等利用青霉素皮层注射,使白兔产生癫痫灶,再用VSD对病灶进行染色,以准确判断病灶的范围,进而可以全切病灶。实验组癫痫症状和癫痫脑波的研究结果显示,利用这种方法进行的手术,治愈率远高于对照组。随着对染料毒性的不断明确,如果可以辅以良好的外科成像设备,VSDI在癫痫手术方面也会有一定的应用前景。免疫抑制剂的作用抑郁症是神经症的一种,以情感低落、思维迟缓,以及言语和动作减少和迟缓为典型症状。引起抑郁症的因素包括:遗传因素、体质因素、中枢神经介质的功能及代谢异常,以及精神因素等。在神经机制方面,目前的学说主要包括单胺能神经递质学说(即多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺等递质在突触信号传递中下调或者不平衡会导致抑郁症的发生)、应激学说和神经生发学说等。根据应激学说,下丘脑释放的促肾上腺皮质素释放激素(corticotropinreleasinghormone,CRH)可以通过下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴(hypothalamo-pituitary-adrenalaxis,HPAA)产生过量皮质醇,可能对单胺类受体有抑制作用。但是,CRH是如何具体作用于中枢系统的,尚无定论。vonWolff等使用VSDI技术,针对CRH对小鼠海马切片的影响进行了研究。通过对海马切片使用CRH,可以明显看到DG区向CA1区的传播增强,而缺少促肾上腺皮质素释放激素受体1的海马切片则没有此现象。这证实了CRH不仅可以通过应激通路导致抑郁症,而且对海马的直接作用也有可能是诱发疾病的机制之一。神经生发学说认为海马区域的神经元损失会导致抑郁。Airan等使用VSDI对荧光强度进行定量测量,证实抑郁症模型大鼠的海马DG区受到抑制而CA1区的兴奋性增强;使用抗抑郁药物Fluoxetine,可以使DG区新生神经元增多并且提高兴奋性,而CA1病理性通路得到抑制,从通路层次说明DG区新生神经元对抑郁症有抑制作用。这个实验也进一步通过动物的行为表观阐明了神经生理环路的内在表型与情感行为的直接相关性,这对情绪的研究也有所助益。种机制所产生的学习机制应用VSDI成像方法对大脑皮层的观测,使经典神经生理学中的一些观点发生了改变。经典生理学认为,感觉信号与其引起的皮层兴奋,它们之间存在一种点对点的拓扑关系:比如老鼠的每一根胡须在感觉皮层上对应一个专有的功能柱;在视觉空间上每一个光点都会引起初级视觉皮层上点对点的特定功能柱的兴奋。而应用VSD成像的观测却看到不同的现象:感觉输入在皮层中不但引起点对点的兴奋,而且还引起了一个广泛扩布的兴奋波(propagatingwaves)。兴奋波扩布的范围常常涵盖整个感觉区域,远远大于经典生理学定义的感觉拓扑投射区(sensoryrepresentationsite)。这个结果说明,感觉信号进入皮层后不仅激活了专用的功能柱和特定的线路,还激活了大量非特异的神经细胞。虽然这种非特异的激活只对每个神经元产生很小的去极化,但由于受影响的神经细胞数量很大,可能会产生很大的整体效果。大脑无论在清醒、睡眠、感知,还是产生运动的过程中,无时不刻地产生兴奋波,100多年前发明脑电技术时,已经能够探测到这些兴奋波的信号。但是,由于兴奋波的传播速度很快(约100mm/s),只有VSD成像技术可以对这些兴奋波的时空状态进行描述。神经兴奋波的产生原理是比较复杂的,至少有四种可能的机制类型:延迟型、接力型、振荡型和自组织型,如图9所示。所谓延迟型,是指网络中所有单元接受同一个波源的驱动,由于从波源到每个单元的延迟时间不同,从而形成空间相位分布(图9A)。接力型是指当前兴奋的神经细胞通过兴奋性突触激活周围处于静息状态的神经细胞,使后者在下一时刻产生兴奋(图9B)。由于网络中的神经细胞依次产生兴奋,在空间中形成相位分布。接力波的扩布方式很像森林火灾中的火浪,由当前正在燃烧的树木引燃周围的树木,使之在下一时刻燃烧。一个神经接力波有波前和波尾。波前的神经网络从未被波兴奋过,而波尾的神经细胞则在前一时刻刚刚被波兴奋过。由于波前处于静息状态的网络更容易被兴奋,波尾已被兴奋过的网络处于不应期内而不容易被兴奋,因此,接力波的传播矢量总是从波的中心指向兴奋性更高的波前。振荡型神经兴奋波有点象运动场(团体操)中的人浪,在人浪中,每一个人都做站起蹲下的动作,而每个人的动作又会根据周围人的动作进行调整,这样整体耦合起来,就形成了一个宏观的波浪(图9C)。在神经网络中,每一个神经细胞都是一个小振荡器,在静息、兴奋和不应期三种状态中循环。在这三种状态中,在静息状态接受到兴奋性输入会使振荡的相位提前,而在不应期内接收到兴奋性输入则会使振荡的相位滞后。这种波产生的空间相位是由单元之间的耦合决定的。自组织型波是由大量兴奋性元件耦合而涌现(emergent)出的复杂的整体行为。图9D给出了两个简单的自组织型波的例子。左边的例子是一个环形回路,兴奋波在回路上周而复始地循环,产生振荡和空间相位分布;右边是在皮层上实际观察到的螺旋波,螺旋波可以在二维平面网络中产生振荡和空间相位分布。在这两个例子中,整个网络中虽然没有一个单元是振荡器,却能通过自组织特性涌现出振荡及空间相位分布。在实际的皮层神经网络中,上述四种机制可能同时出现并产生兴奋波。比如,很多兴奋型或振荡型单元会受到同一波源的驱动,产生延迟型、接力型和振荡型的混合波,而这些混合波的空间分布又会导致自组织型波的出现。兴奋波把大量神经细胞的活动整合起来,因此会涌现出极为复杂的整体行为,也许这恰恰是意识和思维这类复杂过程的物质基础。关于兴奋波的一个首要问题是:这些波究竟本身就有功能,还是大脑活动的副产品(就象空调工作时的嗡嗡声)?这个问题是自发现脑电以来就有的一个老问题,VSD成像作为一种新技术对认识这个老问题提供了一些新的证据。下面举例说明VSD成像技术对回答这个老问题的新贡献。前面提到,皮层中的兴奋波可以使大量神经细胞得到非特异的去极化。一个兴奋波的波前会使神经细胞去极化而提高兴奋性,而在兴奋波尾的不应期内,则会使网络兴奋性降低。因此,如果兴奋波的传播矢量(方向与速度之积)是可以被调整的,网络中何时何地出现非特异的兴奋或抑制就可以被控制,进而参与信息处理过程。兴奋波的速度大约在100mm/s左右,必须用VSDI这种高速成像技术才能捕捉其动态变化。2007年,徐伟锋等利用VSDI技术,首先发现与视觉有关的兴奋波的波速可以被神经网络控制。如图10A所示,由视觉刺激引起的兴奋波在V1-V2边界的速度急剧减慢,出现一种“压缩”现象。他们接着证明,只有视觉刺激引起的兴奋波才会出现压缩。而皮层中自发产生的兴奋波,虽然非常频繁地通过V1-V2边界,却完全没有压缩现象。兴奋波的压缩有功能吗?徐伟锋等的结果提示,压缩以及后来的反射,可以使V1和V2两个区域的兴奋性同时提高。第二个例子是脑皮层中螺旋波(spiralwaves)的发现(图10B)。螺旋波在自然界中广泛存在,并有着不可忽视的功能和影响。比如在台风中,螺旋波可以汇集几百平方公里中大气的能量而产生极大的摧毁力;在心肌中产生的螺旋波,可以破坏心肌同步收缩的协调(心室纤颤),并在瞬间使心脏停止泵血。既然大脑皮层中的兴奋波是个普遍现象,那么螺旋波是否存在?是否有功能?从流体力学的原理看,产生螺旋波很容易,只需要两个波在其传播矢量有夹角的状态下相遇。大脑皮层中每秒有4～10个兴奋波以不同的传播矢量扫过,产生螺旋波的机会应该是很多的。螺旋波一旦产生,其自组织特性就会使之顽强存在,并汇集能量,发挥影响。但从神经生理学的角度来看,大脑皮层的神经网络是精确平衡和控制下的电路,不应容许不可控制的活动存在。因此,大脑皮层的神经网络很可能存在一些控制螺旋波的机制,在某些场合下抑制螺旋波的产生,而在另一些场合,又利用螺旋波顽强存在的特征来发挥一些功能。比如,使诱发活动在感觉刺激消失后仍持续一段时间;利用螺旋波的周期性旋转产生振荡;或利用螺旋波中心的相位奇点(singularity)来终止网络中大范围的同步振荡等。上世纪90年代,Cohen小组对乌龟视顶盖(optictectum)进行VSD成像时发现,视觉刺激产生的兴奋波有旋转的现象,首先提示了螺旋波的存在。之后,黄小英等发现在大鼠脑片中,神经网络去抑制后,可以有非常顽强的螺旋波,螺旋波中心的相位奇点(相当于台风眼的结构)清晰可见(图10B)。在后续的