猫17区细胞的方位选择性及方位功能柱中整合特性的研究

发布时间：2017-05-01 01:03

  本文关键词：猫17区细胞的方位选择性及方位功能柱中整合特性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：视皮层中神经元的方位选择性是一种特有的生理特性。在视皮层中具有相同方位的细胞聚集在一起形成视皮层的方位功能柱。方位选择性的形成机制长期以来都争论不休,而对于方位功能柱的结构和功能的探讨也一直是热点问题。本文首先采用细胞外记录的方法,以经典感受野(classical receptive field,CRF)大小的刺激测量细胞的方位调制曲线,研究猫初级视皮层神经元的方位选择性。对168个细胞的研究发现,猫初级视皮层(primary visual cortex,V1)区的神经元方位调制曲线最佳方位的半高宽(width at half-height,WHH)和方位调制曲线的循环变化(circular variance,CV)都存在着多样性。研究发现细胞感受野的长宽比与WHH有较强的负相关性,而细胞感受野的长宽比与CV的相关性较弱。神经元的CV和神经元在垂直与最佳方位放电率之比有正相关性,也与细胞的自发放电存在着正相关性。此外,我们也发现细胞的调制指数(Modulation Ratio,MR)与细胞的方位选择性有负相关性。反之亦然。由于神经元外周整合特性的不同,我们将细胞分为外周抑制细胞(surround-suppressive,SS)和无外周抑制细胞(surround-non-suppressive,SN)。我们定量研究了猫17区119个神经元的中心-外周的方位调制曲线,发现外周抑制神经元(SS)和无外周抑制神经元(SN)存在着差异性。在97个SS细胞中发现中心-外周具有相同方位刺激时抑制加强,而在中心-外周方位相互垂直的刺激时抑制减弱或消失。相反,在27个SN细胞中发现:中心-外周方位相同时有明显的易化作用,中心-外周方位不同时,反应没有明显差异。此外,我们还发现这两种细胞中心-外周的方位选择性与细胞的空间整合有相关性。为了研究神经元的抑制强度与空间频率的关系,我们对201个细胞的空间频率进行了分析。发现神经元的最佳空间频率与细胞的CRF之间有负相关性。同时,我们的研究结果表明猫17区神经元的最佳空间频率与细胞的空间整合强度呈正相关性。另外,我们发现神经元的最佳空间频率与细胞的长度抑制有强相关性,而细胞的宽度抑制与细胞的最佳空间频率相关性较弱。结合电生理技术和内源性光学成像技术,研究了猫初级视皮层的方位功能柱分为同方位功能区(iso-orientation domain,IOD)和风车中心区(pinwheel center,PC)的结构和功能。研究发现,每个风车样方位功能柱可分为三个不同的空间整合亚区。第一个亚区集中在PC区,这个区域的神经元感受野最小,具有强的方位不依赖的外周抑制;第二个亚区集中在IOD的中部,这个亚区的神经元有中等大小的感受野,具有强的方位依赖的外周抑制;第三个亚区集中在IOD的外周,这个亚区的神经元具有最大的感受野,显示出弱的外周抑制,或无外周抑制的特性。综上所述,本论文主要发现:(1)猫初级视皮层神经元的O/P与方位调制曲线的循环变化有强相关,与WHH相关较弱;而且,发现细胞非最佳方位的抑制是细胞具有低CV和窄WHH的重要因素。(2)外周抑制神经元(SS)和无外周抑制神经元(SN)感受野中心-外周相互作用存在着差异性,发现这两种细胞中心-外周的方位选择性与细胞的空间整合有相关性。(3)细胞的最佳空间频率与细胞的感受野呈负相关性,与细胞的空间抑制强度呈正相关性;特别是长度抑制作用与细胞的最佳空间频率有相关性。(4)猫初级视皮层的风车样方位功能柱按照神经元的空间整合特性不同可分为三个亚区。这些结果对于更好的理解皮层结构和功能具有重要意义,以及为阐明各种视觉信息整合的机制提供重要依据。
【关键词】：猫 初级视皮层 方位选择性 方位功能柱 外周抑制 无外周抑制
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q436
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 视网膜13-14
• 1.2 外侧膝状体14-16
• 1.3 视觉皮层细胞16-19
• 1.4 感受野与方位选择性19-21
• 1.5 整合野与方位能柱21-24
• 1.6 本文的主要研究内容24-26
• 第二章 猫初级视皮层神经元的方位选择性26-49
• 2.1 引言26-27
• 2.2 材料和实验方法27-33
• 2.2.1 动物准备27-29
• 2.2.2 电生理记录29
• 2.2.3 视觉刺激29-32
• 2.2.4 数据分析32-33
• 2.3 实验结果33-43
• 2.3.1 半高宽（WHH）和循环变化（CV）33-34
• 2.3.2 WHH和CV的相关性34-35
• 2.3.3 WHH和CV与感受野长宽比的关系35-36
• 2.3.4 WHH和CV与细胞O/P值的关系36-38
• 2.3.5 WHH和CV与细胞自发放电的关系38
• 2.3.6 WHH和CV与细胞自发反应，正交反应的关系38-39
• 2.3.7 细胞的层次分布39-42
• 2.3.8 WHH和CV与MR之间的关系42-43
• 2.4 讨论43-47
• 2.4.1 神经元方位选择性的多样性43-44
• 2.4.2 MR与细胞的方位选择性44
• 2.4.3 细胞方位选择性的形成机制44-46
• 2.4.4 细胞的层次分布46
• 2.4.5 方位选择性的种属差异46-47
• 2.5 结论47-49
• 第三章 猫初级视皮层神经元感受野外周的方位选择性49-62
• 3.1 引言49-50
• 3.2 材料和实验方法50-54
• 3.2.1 动物准备50-51
• 3.2.2 电生理记录51-52
• 3.2.3 视觉刺激52-53
• 3.2.4 数据分析53-54
• 3.3 实验结果54-59
• 3.3.1 两种调制作用的细胞54-55
• 3.3.2 外周选择性与空间整合作用强度的关系55-57
• 3.3.3 SN和SS细胞的外周选择性差异57-58
• 3.3.4 中心-外周相互作用的总体情况58-59
• 3.4 讨论59-60
• 3.5 结论60-62
• 第四章 猫初级视皮层神经元空间整合特性与空间频率的关系62-79
• 4.1 引言62-63
• 4.2 材料和实验方法63-66
• 4.2.1 动物准备63-64
• 4.2.2 电生理记录64-65
• 4.2.3 视觉刺激65-66
• 4.2.4 数据分析66
• 4.3 实验结果66-75
• 4.3.1 两种调制作用的细胞66-68
• 4.3.2 两种细胞的空间频率68-69
• 4.3.3 最佳空间频率的层次分布69-70
• 4.3.4 空间频率与外周抑制的关系70-72
• 4.3.5 细胞的长宽感受野72-74
• 4.3.6 最佳空间频率与细胞长度感受野和宽度感受野的关系74-75
• 4.4 讨论75-77
• 4.4.1 空间频率和皮层内抑制75-76
• 4.4.2 Ls/Ws细胞识别高空间频率的原因76
• 4.4.3 SS细胞和SN细胞的差异性76-77
• 4.5 结论77-79
• 第五章 猫初级视皮层方位功能柱中空间整合亚区的研究79-93
• 5.1 引言79-80
• 5.2 材料和实验方法80-87
• 5.2.1 动物准备80-82
• 5.2.2 实验方法和数据采集82-85
• 5.2.3 数据采集85
• 5.2.4 数据分析方法85-87
• 5.3 实验结果87-91
• 5.3.1 电极定位87-89
• 5.3.2 PC、DM和DP区神经元感受野大小和空间整合特性的比较89-90
• 5.3.3 PC、DM和DP区神经元中心外周方位相互作用比较90-91
• 5.4 讨论91-92
• 5.5 结论92-93
• 第六章 结论与展望93-96
• 6.1 结论93-94
• 6.2 展望94-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-111
• 攻博期间取得的成果111-112

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