耳蜗核神经元反应特性及耳蜗放大机制的模型研究

发布时间：2017-09-16 14:05

  本文关键词：耳蜗核神经元反应特性及耳蜗放大机制的模型研究

  更多相关文章： 耳蜗核神经元 输入强度 反应类型 电致运动 纤毛偏转 主动放大

【摘要】：听觉是人类感知世界和赖以生存的基本能力之一,听觉系统是一个复杂而奇妙的系统,其具备良好的信息处理能力,一直吸引着科学家们的浓厚兴趣。随着对听觉机制的深入研究,神经生物学家认识到仅由神经生理学和解剖学的数据难以理解和推断听觉系统的作用机制,基于模型的研究成为探索听觉机制的一个重要手段。由于生物系统的复杂性,以及实验条件和手段的局限性,实验数据总是有限且不完整,因此,必须将生理实验与模型仿真有机结合,才可能由有限的实验数据证实已知,推断听觉生理学中的未知,揭示听觉系统的内部作用机制。听觉生理学的研究成果又能被应用到信息处理、听力康复等应用领域,为人类的科学技术发展做出贡献。本研究着手于听觉系统的作用机制的研究,我们在经典的漏积分放电模型基础上,探讨了兴奋性输入强度对耳蜗核神经元反应类型的影响,并对耳蜗中外毛细胞的主动放大机制进行了研究。 耳蜗核内的信息处理,是听觉中枢对声音信号进行信息处理的最先一环。耳蜗核神经元响应短纯音刺激的主要反应类型有类初级反应型、梳状型和给声开始型。我们建立的兴奋性模型可以仿真出耳蜗核神经元的反应类型,本文在此基础上研究兴奋性输入强度对耳蜗核神经元反应类型的影响,并推测生理情况下抑制性输入在神经元响应中的作用。我们在Matlab平台上构造基于积分-放电模型的兴奋性模型,改变其输入强度,多次重复刺激后用OriginPro7.5数据分析软件获得其刺激后时间直方图,观察神经元的反应类型是否随刺激强度发生改变。仿真发现随着刺激强度的增加,梳状型的反应类型的峰值变多,峰峰间周期逐渐变短,跟动物实验中阻断抑制性输入的结果一致。刺激强度的增加不会引起类初级反应型的类型发生改变,这与动物实验前腹侧的耳蜗核中通过施加甘氨酸和γ-氨基丁酸拮抗物将抑制性输入阻断后,类初级反应型神经元的反应类型几乎不会被甘氨酸或Y-氨基丁酸改变的结果一致。同样在模型实验中,本文观察到给声开始型随着刺激强度的增加最终转变为类初级反应型,然而,这种互变现象在动物实验中几乎没有被观察到。即随着兴奋性输入强度的增加,初级反应型只增加放电数,梳状型和给声开始型还出现向初级反应型转变的结果,而生理条件下很少观察到耳蜗核神经元随着刺激强度的变化而改变其反应类型。基于仿真结果和生理实验的比较,本文推测耳蜗核神经元接收到的不是单一的兴奋性输入,抑制性输入对神经元响应声音刺激时将膜电位稳定到一定范围起着重要作用,这种多种输入整合的共同作用最终决定神经元的反应类型和响应特性。可能是因为正常生理条件中存在着抑制性输入的增益调节作用,这种平衡的抑制性输入能减少兴奋性输入的幅度,使神经元膜电位保持在有限范围内,保证了给定神经元的反应类型在高强度刺激时不会转变为新的类型,从而确保声音信息编码和传递的准确性。 耳蜗听觉生理一直是听觉研究的一个最为活跃的领域,科学家们力求能系统研究耳蜗生理学,探讨耳蜗对声音调控的神经生理机制。在哺乳类动物的耳蜗中,内耳毛细胞是最重要的听觉感受器。毛细胞通过机械-电换能离子通道(mechano-electrical transduction, MET)把纤毛束的偏转转换为细胞膜电位的变化,其中毛细胞是运用怎样的一套放大机制来保持令人惊叹的听觉灵敏性和频率选择性,其生物学基础的细节仍为当今活跃的研究课题。 哺乳动物正常的听觉功能依赖于耳蜗的主动放大机制,毛细胞的主动活动能对输入耳蜗的声音刺激进行放大。外毛细胞膜电位的变化能够引起细胞长度的改变,这种独一无二的现象被称为外毛细胞电致运动,外毛细胞电致运动不直接依赖于ATP和钙离子的浓度。外毛细胞电致运动能够对耳蜗基底膜的振动进行放大和修饰,是哺乳动物内耳听觉器官高灵敏度和频率选择性的基础。随着耳聋发病机制研究的快速发展,对耳蜗主动放大机制的探索成为理解耳聋发病机制的最关键一环。现阶段已有许多针对主动放大机制的生物物理,生物化学和分子特性过程的科学研究。研究表明以prestin动力蛋白为分子基础的外毛细胞能动性是耳蜗主动放大机制形成的必要条件。然而耳蜗主动放大的具体机制尚不明确,这也使得其成为听觉研究的热点问题。现阶段主要有两种机制解释耳蜗主动放大功能,一种是电压依赖的体细胞能动性,是外毛细胞侧壁膜中的动力蛋白prestin的作用效果；另一种是由钙电流驱动的毛束的能动性。 Prestin膜蛋白属于一个阴离子转运溶质载体(SLC26)家族,密集分布在外毛细胞的侧膜上。Prestin蛋白分子形状的改变依赖于细胞内阴离子,特别是氯离子。Prestin是哺乳动物所独有的,它可能为哺乳动物的耳蜗放大提供主要的动力。外毛细胞膜的去极化导致轴向收缩,超极化电位时轴向伸长,改变外毛细胞的跨膜电位,其长度变化能达到5%。与外毛细胞电致运动相关的是细胞膜的电容特性。外毛细胞的膜电容有线性和非线性两部分,线性部分主要来源于脂质双层,细胞的大小(表面积)决定了线性电容的大小,而非线性部分可分别来源于离子通道的开启和关闭部分,以及来源于电致运动的部分。外毛细胞的电荷运动／电压和外毛细胞长度／电压间的关系通常都用S形双态玻尔兹曼函数拟合,外毛细胞的非线性电容是一钟形曲线,因为它是S形电荷／电压关系的导数。由于外毛细胞能动性和非线性电容间的紧密的对应关系,我们可以通过测量非线性电容来了解电致运动,非线性电容可由膜片钳技术获得。 毛细胞的兴奋或抑制跟静纤毛的摆动方向有关,当静纤毛朝其最高一排方向偏转时,静纤毛顶端附着的门控弹簧被拉长,毛细胞去极化产生兴奋；当静纤毛朝其较短一排方向偏转时,毛细胞出现超极化产生抑制。MET通道通过顶连接进行门控,通道的开放没有固定的张力,相反,通道开放是个概率事件,其概率随着张力的变大而增加。MET通道是一个阳离子通道,主要选择性通过钾离子和钙离子,其单通道电导可达到l00pS甚至更大,并且在毛束偏转中显示出超快的动力学,通道数的测定研究发现每根静纤毛上约有1.5个通道数。MET通道包括快适应和慢适应两种类型,适应性表现为给予持续刺激时反应出现下降。适应性使其能够根据刺激条件调节他们的敏感性,从而只对变化的刺激强度做出反应。钙离子是MET通道性能的一个重要信号。静纤毛钙离子的改变能影响适应的快和慢两个阶段,还影响通道的激活,减少外部钙离子或增加细胞内钙离子将使通道激活和快适应的时间进程变慢。 本研究探讨了输入强度对耳蜗核神经元反应类型的影响,对耳蜗放大机制的研究进展加以综述,为后续的研究做了前期准备工作。本文回顾了耳蜗主动放大的研究历史,介绍了基底膜的振动特点,为后续内外毛细胞的声转换研究做好文献查阅工作。对外毛细胞胞体的电致运动及非线性电容特性进行了介绍,并对外毛细胞的prestin单个分子到细胞的分子集群是如何做到放大进行了模型仿真,初步仿真表明只有当各个prestin分子同步一致发生构象改变时,才能使其对外毛细胞长度变化达到最大幅度,从而实现最大的能量利用率及跟随效应。本文还建立了一个模拟毛束偏转的模型,来研究纤毛间的距离,高度差及偏转角度对顶连接长度变化的影响,结果显示相邻两排静纤毛的距离和高度差对顶连接长度变化具有等效的作用,静纤毛发生偏转时,顶连接的张力变大。在此基础上,本研究的意义还在于可为研究电致运动与MET电流的循环关系,以及如何实现内耳敏感性和频率选择性增强的作用机制的打下研究基础。 论文最后对研究工作中遗留的问题进行了讨论,并对今后的工作进行了展望。
【关键词】：耳蜗核神经元 输入强度 反应类型 电致运动 纤毛偏转 主动放大
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R338.3
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-18
• 1.1 背景和意义14-16
• 1.2 立论依据16
• 1.3 内容安排16-18
• 第2章 听觉生理学和神经生物学基础18-28
• 2.1 哺乳动物的听觉18-24
• 2.1.1 听觉外周传导通路18-19
• 2.1.2 耳蜗的生理结构19-21
• 2.1.3 听觉中枢传导通路21-24
• 2.2 神经元及其模型24-26
• 2.2.1 神经元结构24-25
• 2.2.2 动作电位的发放机制及特性25-26
• 2.2.3 漏积分放电模型26
• 2.3 仿真软件26-28
• 2.3.1 MATLAB26-27
• 2.3.2 Origin27-28
• 第3章 耳蜗核神经元反应类型随刺激强度变化的模型研究28-33
• 3.1 耳蜗核生理实验研究28
• 3.2 耳蜗核模型构建的理论基础28-30
• 3.3 耳蜗核模型刺激强度变化的仿真实现30
• 3.4 结果与讨论30-33
• 3.4.1 改变输入强度30-31
• 3.4.2 讨论31-33
• 第4章 耳蜗放大机制的模型研究33-50
• 4.1 耳蜗主动放大的研究历史33-35
• 4.2 基底膜及振动测量35-38
• 4.3 外毛细胞的电致运动38-44
• 4.3.1 非线性电容39-40
• 4.3.2 Prestin动力蛋白40-42
• 4.3.3 Prestin蛋白放大作用的仿真研究42-44
• 4.4 毛细胞纤毛运动机制44-50
• 4.4.1 机械-电换能通道44-45
• 4.4.2 适应性现象45-46
• 4.4.3 门控弹簧模型46
• 4.4.4 纤毛偏转的仿真研究46-50
• 第5章 总结与展望50-52
• 5.1 研究内容总结50-51
• 5.2 工作展望51-52
• 参考文献52-58
• 攻读硕士期间发表的论文及取得的成果58-59
• 致谢59-61

【参考文献】

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1 徐月晋;周凌宏;肖中举;;基于模型的耳蜗核反应特性研究[J];南方医科大学学报;2011年01期

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本文编号：863476