大鼠皮层下视通路条件性恐惧视觉信息处理机制研究

发布时间：2017-10-20 15:35

  本文关键词：大鼠皮层下视通路条件性恐惧视觉信息处理机制研究

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【摘要】：视觉系统是动物认知外部信息最重要的感觉系统,大脑中存在皮层和皮层下两条视通路,皮层视通路主要负责对外界视觉刺激的精细加工和智能识别;皮层下视通路属于大脑早期进化的边缘结构,是包括上丘(Superior Colliculus,SC)→丘脑枕(Pulvinar,Pulv)→杏仁核(Amygdala,AMG)的一条视觉通路。皮层下视通路与情绪视觉信息的处理密切相关,尤其对恐惧视觉信息能够进行快速加工和传递,具有预警作用。恐惧视觉信息刺激是激活皮层下视通路进行视觉信息快速传递的一种重要方式,包括自然赋予的先天性恐惧视觉信息,在社会活动中长期积累的情感面孔信息,以及动物通过后天习得的条件性恐惧视觉信息。其中,通过后天习得的条件性恐惧视觉的信息处理机制与应激性障碍的信息处理机制具有相似性。目前皮层下视通路条件性恐惧视觉信息处理机制的研究处于起步阶段,皮层下视通路的神经环路结构连接和投射关系还未明确;皮层下视通路本身对条件性恐惧视觉信息的响应特性,以及恐惧视觉信息激活皮层下视通路的“触发”条件还没有清楚解析;在条件性恐惧视觉认知过程中两条视通路之间的交互和影响作用尚不清楚。因此,皮层下视通路条件性恐惧视觉的信息处理机制研究是神经科学、心理学和智能科学领域的新兴课题,具有很高的理论研究意义和实际应用价值。基于上述原因,本文以Long Evans大鼠做为模式动物,用嗜神经病毒标记大鼠皮层下视通路的神经环路;建立基于图形认知的大鼠条件性恐惧联结训练实验范式;通过分析条件性恐惧视觉形成前后皮层下视通路神经元的响应特性,确定Pulv在皮层下视通路中对恐惧视觉信息的触发传递作用;通过分析视觉图像的恐惧联结水平对神经元集群功能连接的影响,解析皮层下视通路对恐惧视觉信息传递机制;在无意识和有意识两种认知水平下,研究两条视通路多脑区间的恐惧视觉信息传递和交互作用。本文完成的主要工作和创新点如下:(1)建立了大鼠基于图形认知的条件性恐惧视觉联结训练实验范式。设计开发了大鼠条件性恐惧视觉联结自动训练系统;采用行为学方法量化了大鼠恐惧视觉联结形成的标准;设计9种“单图”恐惧视觉联结训练实验模式,分组进行训练,统计分析了各种训练模式中条件刺激时长和非条件刺激时长两个因素对恐惧视觉联结训练效果的影响,进而优化了实验模式;并采用“双图”恐惧视觉训练模式验证本文恐惧视觉训练实验范式的有效性。(2)标记了大鼠皮层下视通路神经环路投射,实现回路中关键神经核团神经元集群响应信号采集。采用嗜神经病毒追踪技术实现LE大鼠皮层下视通路的神经环路结构标记;确定了皮层视通路和皮层下视通路的电生理实验采集位点;实现了特定脑区的急性和慢性神经元集群响应信号的采集,完成了微电极阵列植入定位的组织学验证。(3)发现在条件性恐惧视觉形成前后,丘脑枕后外侧(LP)神经元集群对“恐惧”视觉信息响应的峰值时间延迟缩减变化量,与上丘(SC)相比显著增加,从响应时间特性上解析了皮层下视通路快速信息传递的神经机理;并从神经元集群的响应幅值特性上,揭示了丘脑枕在皮层下视通路中对“恐惧”视觉信息的传递起到了“门控”作用。(4)发现随着恐惧水平增强,皮层下视通路对于恐惧视觉信息的传递效率也在提高。依据大鼠条件性恐惧联结训练过程中的主动逃避率,将恐惧视觉训练分成训练前、训练中和训练后三个阶段,分别表征大鼠感知视觉刺激图形的三个恐惧水平。通过对比分析视觉刺激的不同恐惧水平下大鼠皮层下视通路SC和LP核团神经元集群功能连接的动态变化规律,发现随着恐惧水平增强,SC和LP神经元集群网络的功能连接特性——连接强度和聚类系数均显著增加,平均路径长度显著减小。(5)研究了在有意识和无意识两种不同认知水平下,两条视通路多脑区间的恐惧视觉信息传递和交互作用,发现皮层下视通路在无意识恐惧信息认知条件下起关键作用。采用格兰杰因果分析方法建立皮层视通路V1区、皮层下视通路SC和LP多脑区之间的有向功能连接。该有向功能连接图表明:恐惧视觉信息依靠两条视通路协同作用实现传递,随着认知意识水平的减弱,皮层下视通路SC→LP的连接强度显著增强,皮层视通路V1区对皮层下视通路SC和LP的反馈作用逐渐减弱。由此说明在无意识恐惧视觉认知过程中,皮层下视通路对恐惧视觉信息传递起到了主要作用。
【关键词】：皮层下视通路 条件性恐惧 视觉信息处理机制 神经元集群 神经元响应特性 功能连接
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R749.72;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-18
• 符号说明18-20
• 1 绪论20-34
• 1.1 研究背景及意义20-22
• 1.2 国内外研究现状22-31
• 1.2.1 皮层下视通路神经回路基础的研究现状22-26
• 1.2.2 皮层下视通路关键神经核团的视觉信息表征研究现状26-28
• 1.2.3 恐惧视觉信息处理的脑网络功能连接研究现状28-31
• 1.3 本文的主要工作和组织结构31-34
• 2 大鼠皮层下视通路神经信号采集34-49
• 2.1 利用嗜神经病毒追踪技术标记LE大鼠皮层下视神经环路34-36
• 2.1.1 实验动物34
• 2.1.2 构建LE大鼠嗜神经病毒追踪模型34-35
• 2.1.3 组织制备和免疫组化35-36
• 2.1.4 显微镜拍照与组织学结构分析36
• 2.2 LE大鼠皮层下视通路神经核团精确定位36-38
• 2.3 大鼠皮层下视通路神经信号采集38-48
• 2.3.1 实验平台设计39-40
• 2.3.2 微电极阵列选型40
• 2.3.3 微电极阵列植入手术40-43
• 2.3.4 神经信号的采集与预处理43-47
• 2.3.5 皮层下视通路神经核团植入位置的组织学验证47-48
• 2.4 本章小结48-49
• 3 大鼠条件性恐惧视觉联结训练49-67
• 3.1 大鼠条件性恐惧视觉训练系统开发49-53
• 3.1.1 大鼠条件性恐惧视觉训练系统总体设计和参数要求49-52
• 3.1.2 训练系统的硬件设计52
• 3.1.3 训练系统的软件设计52-53
• 3.2 大鼠条件性恐惧视觉联结训练方案和评价标准53-57
• 3.2.1 条件性恐惧视觉训练方案53-54
• 3.2.2 条件性恐惧视觉联结评价标准54
• 3.2.3 恐惧视觉联结训练模式和实验流程54-57
• 3.3 条件性恐惧视觉训练实验范式建立57-64
• 3.3.1 不同训练时间在大鼠恐惧视觉联结中的行为学变化58-60
• 3.3.2 不同训练模式对大鼠恐惧视觉联结中的行为学影响60-62
• 3.3.3 不同条件刺激时长对大鼠恐惧视觉联结的影响62
• 3.3.4 不同非条件刺激时长对大鼠恐惧视觉联结的影响62-63
• 3.3.5 条件刺激和非条件刺激时长交互效应对大鼠恐惧视觉联结的影响63-64
• 3.4 “双图”视觉认知训练效果验证64-66
• 3.5 本章小结66-67
• 4 大鼠皮层下视通路神经元响应特性分析67-105
• 4.1 麻醉状态预测模型构建67-78
• 4.1.1 实验动物和方法68
• 4.1.2 基于LFP信号麻醉状态预测模型构建68-76
• 4.1.3 SVM模型的麻醉状态预测效果分析76
• 4.1.4 麻醉深度对于视觉刺激实验的影响76-78
• 4.2 皮层下视通路SC和皮层视通路V1神经元特性分析78-90
• 4.2.1 实验动物和方法78
• 4.2.2 神经元时空RF特性分析78-81
• 4.2.3 朝向选择性81-83
• 4.2.4 空间频率SF调谐特性83-85
• 4.2.5 时间频率TF调谐特性85-86
• 4.2.6 对比度响应86-88
• 4.2.7 反应潜伏期88-90
• 4.3 清醒大鼠恐惧视觉形成前后皮层下视通路神经元响应特性90-103
• 4.3.1 实验动物和视觉响应测试91-92
• 4.3.2 神经元响应分析方法92-94
• 4.3.3 实验结果94-103
• 4.4 本章小结103-105
• 5 皮层下视通路SC和LP的神经元集群动态功能连接105-120
• 5.1 实验设计和数据采集105-106
• 5.2 神经元集群功能连接106-110
• 5.2.1 神经元集群网络节点间的功能连接强度106-107
• 5.2.2 神经元集群网络功能连接107-109
• 5.2.3 提取神经元集群网络的特征109-110
• 5.3 LP核团神经元集群功能连接特征动态变化110-115
• 5.3.1 不同视觉刺激下LP神经元集群的GPLV差异性111-113
• 5.3.2 “恐惧”视觉刺激水平对LP集群网络特征的影响113-115
• 5.4 SC神经元集群功能连接特性动态变化115-118
• 5.4.1 不同视觉刺激下SC神经元集群GPLV的变化规律115-117
• 5.4.2 “恐惧”视觉刺激水平对SC集群网络特征的影响117-118
• 5.5 本章小结118-120
• 6 恐惧视觉信息在两条视通路多脑区间的功能连接与交互120-135
• 6.1 恐惧视觉信息认知实验设计和数据采集120-123
• 6.2 脑区间的交互作用分析123-127
• 6.3 实验结果分析127-133
• 6.3.1 皮层下视通路SC→LP的单向功能连接127-129
• 6.3.2 皮层视通路V1区和皮层下视通路SC神经核团的交互作用129-131
• 6.3.3 皮层视通路V1区对皮层下视通路LP的单向作用131-133
• 6.4 本章小结133-135
• 7 总结与展望135-139
• 7.1 总结135-137
• 7.2 未来工作展望137-139
• 参考文献139-149
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果149-151
• 个人简历149
• 发表学术论文149-150
• 主持或参与的科研项目150-151
• 致谢151-152

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本文编号：1067992