长期镁补充恢复成年小鼠的视觉可塑性

发布时间：2017-06-29 02:03

  本文关键词：长期镁补充恢复成年小鼠的视觉可塑性，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：眼优势可塑性是指视觉经验的改变可以诱发出初级视皮层中神经元的眼优势发生偏移的现象,反映了大脑的可塑能力。这种能力在发育早期的关键期内达到峰值,之后则逐渐降低。可塑性的消退有利于神经环路的稳定,但同时也限制了成年后许多大脑疾病的治疗。因此,如何提高成年动物的可塑性成为当今科学研究的热点问题。镁离子作为生物体最为常见的元素之一,参与多种生理过程,如酶反应,能量代谢等。最近的研究发现,长期提高大脑中胞外镁离子含量可以有效地增加啮齿类动物海马和前额叶皮层中的突触可塑性。然而,长期的镁补充对于成年小鼠视觉可塑性的影响并不清楚。皮层中兴奋抑制平衡的建立被认为是限制可塑性的主要功能性障碍,通过降低皮层内的抑制水平来调整该平衡几乎成为恢复成年动物视觉可塑性的必经之路。因此,抑制水平的降低对于恢复可塑性的重要性有待于进一步的考证。另外,在发育过程中NMDA (N-methyl-D-aspartic acid)受体的亚基组成由NR2B主导转换为NR2A主导的过程伴随着关键期的关闭,而这两种亚基在恢复可塑性过程中的贡献也尚不明了针对以上问题,我们通过单细胞记录结合视觉诱发电位慢性记录的手段检测了长期的镁补充对于成年小鼠眼优势可塑性的影响。同时,我们对视皮层第2/3层的椎体神经元进行了全细胞记录,研究了正常的发育过程以及镁补充对基础的突触反应特性的影响。通过缓释微泵向初级视皮层局部地施加NR2A和NR2B的拮抗剂,我们分辨了这两种亚基在恢复视觉可塑性中的作用。我们利用Western blot,免疫组化,Golgi染色以及在体电生理技术对参与可塑性恢复的分子机制进行了详细的研究。除此之外,我们还通过行为学测试结合在体电生理技术研究了成年弱视小鼠的视觉功能。我们发现：a1短期(4天)的单眼缝合并不能够改变成年小鼠视皮层的对侧眼优势。然而,在成年小鼠接受一个月的镁补充之后,眼优势明显地偏向于同侧的未缝合眼。视觉诱发电位的慢性记录结果进一步显示,眼优势的偏移是由缝合眼诱发的皮层反应的下降介导的,暗示着镁补充可以恢复成年动物幼年样的视觉可塑性。b)与处于关键期的幼年小鼠相比,成年小鼠的兴奋性突触传递相对较低,而抑制性突触传递则相对较高,表明皮层内兴奋水平和抑制水平的比值随发育逐渐降低。然而,镁补充可以反转上述过程,促进突触反应特性的再年轻化。同时,镁补充还可以增加视皮层第2/3层椎体神经元上树突棘的密度,说明功能性兴奋性突触连接的增多,从而为可塑性的恢复提供结构基础。c1镁补充可以显著地增加成年小鼠视皮层中NR2A和NR2B的蛋白表达水平。在缝眼期间施加NR2B的拮抗剂Ro 25-6981可以完全地阻遏可塑性的恢复,而施加NR2A的拮抗剂PPPA或者TCN 201却对该可塑性没有影响。为了进一步排除NR2B只参与可塑性的表达而不是恢复过程,成年小鼠在缝眼之前同时接受镁补充和NR2B拮抗剂的施加,2周后移除这两种处理。与只接受镁补充的小鼠相比,Ro 25-6981同样可以显著地减少单眼缝合后眼优势的偏移。这些结果说明NR2B对成年可塑性的恢复至关重要。d)一些抑制相关分子,如谷氨酸脱羧酶65,谷氨酸脱羧酶67、脑源性神经营养因子和神经元外周网络的蛋白表达水平均不受镁补充的影响,说明抑制系统并不是镁补充的主要靶位点。然而,通过侧脑室注射GABAA受体的激动剂地西泮来增加皮层内的抑制水平可以阻遏镁补充恢复的可塑性。e) GABA合成酶的抑制剂MPA介导的降低抑制水平恢复的可塑性并不受NR2B的拮抗剂Ro 25-6981的影响,暗示着镁补充通过一条不同于抑制相关的分子通路来介导可塑性的恢复。f)长期的镁补充结合2周的反向缝合可以诱发出弱视小鼠视皮层中幼年样的皮层变化,从而促进受损的视锐度和眼优势的恢复。总而言之,我们发现长期的镁补充可以有效地增强成年小鼠初级视皮层中依赖于NR2B的眼优势可塑性,这一过程并没有显著地降低视皮层中的抑制水平,说明抑制水平的下降并不是恢复可塑性必经的途径。同时,我们也对可塑性的功能性假说进行了补充,并从一个全新的角度证实皮层内的兴奋抑制平衡对于维持神经环路稳定的重要性。另外,我们还发现通过降低视皮层中的GABA能抑制水平所恢复的可塑性并不需要NR2B的参与,这意味着存在两种不同的分子通路参与可塑性的恢复：(1)通过直接降低皮层内的抑制水平恢复的可塑性,这一过程不需要NR2B的参与,(2)依赖于NR2B的活性,可能是通过上调皮层中的谷氨酸能兴奋水平来实现的。更重要的是,镁补充可以促进成年小鼠视皮层的神经和突触反应特性的再年轻化,这将有利于弱视小鼠视觉功能的恢复。因此,我们的结果不仅有利于人类更进一步地了解视觉系统的发育成熟过程,并为以可塑性为基础的多种大脑疾病如弱视,中风,失语症的临床治疗提供一个更广阔的发展前景。
【关键词】：镁补充 眼优势可塑性 NMDA受体 GABA能抑制 视皮层 弱视
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q436
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-36
• 1.1 引言12
• 1.2 经验依赖的视觉可塑性12-26
• 1.2.1 视觉信息的传递通路12-13
• 1.2.2 眼优势可塑性13-26
• 1.3 弱视及其治疗26-29
• 1.3.1 弱视26-27
• 1.3.2 现有的治疗人类弱视的方法27-28
• 1.3.3 以可塑性为基础的治疗动物弱视的方法28-29
• 1.4 NMDA受体29-34
• 1.4.1 NMDA受体的特性29-30
• 1.4.2 NR2A和NR2B的区别30-32
• 1.4.3 胞外镁离子对NMDA受体的调控32-33
• 1.4.4 补充镁摄取对多种疾病治疗的临床意义33-34
• 1.5 小结34-36
• 第2章 材料和方法36-46
• 2.1 实验动物36
• 2.2 眼睑缝合术36
• 2.3 药物施加36-37
• 2.4 动物的埋藏手术37-39
• 2.5 在体电生理记录39-41
• 2.6 离体电生理记录41-42
• 2.6.1 溶液配制41
• 2.6.2 脑片的准备41-42
• 2.6.3 全细胞记录42
• 2.7 视锐度的行为学测量42-43
• 2.8 Western blot43
• 2.9 酶联免疫吸附试验43-44
• 2.10 免疫组织化学44
• 2.11 高尔基染色44-45
• 2.12 尼氏染色45
• 2.13 统计分析45-46
• 第3章 实验结果46-70
• 3.1 第一部分：长期镁补充促进成年小鼠视皮层的再年轻化46-56
• 3.1.1 镁补充增加成年小鼠初级视皮层中的眼优势可塑性46-49
• 3.1.2 镁补充促进幼年样眼优势可塑性的恢复49-51
• 3.1.3 镁补充促进视皮层中突触反应特性的再年轻化51-56
• 3.2 第二部分：成年视皮层的再年轻化有利于弱视小鼠视觉功能的恢复56-61
• 3.2.1 镁补充促进弱视小鼠视锐度的恢复56-58
• 3.2.2 镁补充促进弱视小鼠眼优势的恢复58-59
• 3.2.3 成年视皮层的再年轻化介导弱视小鼠视觉功能的恢复59-61
• 3.3 第三部分：介导成年动物视觉可塑性恢复的两种方式61-70
• 3.3.1 NR2B亚基的活性为镁补充恢复的视觉可塑性所必需61-64
• 3.3.2 皮层内抑制水平与NR2B在视觉可塑性恢复过程中的关系64-67
• 3.3.4 上调GABA能抑制水平阻遏镁补充恢复的可塑性67-70
• 第4章 讨论和总结70-76
• 4.1 讨论70-74
• 4.2 总结74
• 4.3 展望74-76
• 参考文献76-92
• 致谢92-94
• 在读期间发表的科研论文与科研成果94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 Hui Liu;Peng-Fen Gao;Hai-Wei Xu;Ming-Ming Liu;Tao Yu;Jun-Ping Yao;Zheng-Qin Yin;;Perineuronal nets increase inhibitory GABAergic currents during the critical period in rats[J];International Journal of Ophthalmology(English Edition);2013年02期

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本文编号：496100