1、海马 CA1 神经元网络对惊吓恐惧记忆的编码【摘要】：对惊吓恐惧事件的学习记忆是大脑最重要的功能之一，其重要性体现在：动物个体对经历过的惊吓恐惧事件的学习记忆，能够帮助动物躲避或防御未来可能出现的由相似刺激引起的危险，这是动物生存所必需的基本技能。大量的研究表明，边缘系统的海马结构参与了惊吓恐惧事件的学习和记忆过程。损毁动物的海马结构，不仅会使大脑对环境信息的抽提编码能力受到伤害，从而影响情境性恐惧条件反射(ContextualFearConditioning)的建立和巩固；而且也会影响痕迹性恐惧条件反射(TraceFearConditioning)的建立和巩固，因为有研究显示，大脑对两个存在
2、一定时间间隔的刺激进行关联记忆时，必须依赖海马结构的参与。那么，海马神经元网络在动物对惊吓恐惧事件的学习记忆过程中是如何编码、处理和整合外界信息的?由于技术上的局限性，目前对于惊吓恐惧事件的学习记忆在神经网络水平的编码模式，以及这种模式的组织原理和内在机制等一系列核心问题，研究者们还知之甚少。我们关心的问题是：一、海马神经网络的活动如何表征离散的单个具有特征性的惊吓事件?二、海马神经网络的活动如何表征相关联的惊吓恐惧事件，如何将新形成的关联记忆整合入原有的记忆系统，以及如何巩固新整合的记忆?三、海马神经网络编码惊吓恐惧事件记忆的生理学基础是什么?四、来自于实验的神经网络编码理论是否具有潜在的应
3、用价值?本研究以小鼠对惊吓恐惧事件的学习记忆为行为研究模式，运用多通道在体记录技术，结合我们自行研发的小鼠精细驱动多道电极帽，对小鼠海马 CA1 区上百个神经元的单位放电活动进行同步观察、追踪和记录，从群体神经元网络水平探讨海马在动物惊吓恐惧事件学习记忆过程中的神经元编码规律，从而揭示海马群体神经元网络的信息编码机制。一、海马神经元簇活动对惊吓刺激强度信息的编码实验在7 只 B6BCAJ 小鼠上进行，运用我们自行研制的多通道小鼠在体记录电极阵列推进装置，我们在每只小鼠的双侧海马 CA1 区平均记录到 254 个神经元。通过研究这些记录到的群体神经元对于离散不相关的惊吓刺激事件(包括背部冷风刺激
4、、强声惊吓刺激、地震摇晃刺激和自由跌落刺激)的反应实验显示，所有对惊吓刺激有反应的神经元根据其对惊吓刺激事件强度的反应特性可以被分为两类：强度敏感的神经元和强度不敏感的神经元。强度敏感的神经元对不同强度的刺激反应的放电频率有所不同，一般表现为刺激强度越高，神经元反应的放电频率也越高；强度不敏感的神经元对不同强度的同类刺激均呈现相似的频率变化。进一步的分析显示，在对于惊吓事件的实时编码功能中，强度不敏感的神经元主要参与了对惊吓刺激事件的特征信息的描述，而强度敏感的神经元主要参与了对惊吓刺激事件的强度信息的编码。强度不敏感的神经元对惊吓事件特征信息的编码原理符合特征金字塔编码假说：在编码不同惊吓事
5、件时，海马 CA1 区存在具有相似反应特性的神经元簇，这些神经元簇通过分类别分层级的金字塔排列方式来表征信息，针对不同特征性的刺激它们显示出不同的放电频率变化。而强度敏感的神经元对惊吓强度信息的编码则服从频率编码理论：群体神经元通过调节放电的频率变化来直接表征强度信息。本实验通过对小鼠海马 CA1 区神经网络编码惊吓刺激的分析表明，神经元簇作为记忆编码功能的基本单位，克服了单个神经元反应的不稳定性，通过调节其放电的频率变化来对惊吓事件的本质特征和强度信息进行编码。二、海马 CA1 脑区神经网络的动态活动对情境和痕迹恐惧记忆的编码为了进一步研究大脑群体神经元网络编码惊吓恐惧记忆的内在网络机制，我
6、们运用在体多通道记录技术，考察了 10 只 B6BCAJ 小鼠在巴甫洛夫恐惧条件反射建立过程中海马 CA1 区神经元的活动情况，并利用多重判别分析和神经元放电活动相关分析等方法对记录到的数据进行分析。结果显示，在条件刺激(纯音)与非条件刺激(电击) 建立强化关联之前，群体神经元对于纯音刺激没有明显的反应，但是对电击刺激则有显著的反应：在建立强化关联过程中，对于电击刺激有反应的神经元对于纯音刺激的反应明显增强，这提示：神经元对于纯音刺激的反应受到了其对于电击反应的影响。在随后的线索性回忆过程中，给予纯音刺激能够使部分对于电击刺激有反应的神经元的放电频率发生明显变化，表明这一神经网络的动态变化能够
7、被适当的刺激线索重新激活。我们同时也观察到，当小鼠处于由恐惧引起的僵滞状态时，海马场电位也呈现与慢波睡眠时相似的特征性波形：高频振荡(ripple) 。对神经元放电频率的相关性分析显示，对于电击刺激有反应的神经元，在小鼠处于僵滞状态时的活动相关性明显高于小鼠处于自由活动状态时的相关性：而对于电击没有反应的神经元，其相关性没有显著性变化。比较条件反射建立前后两个阶段慢波睡眠时神经元的活动模式也显示，对于电击刺激有反应的神经元，在建立条件反应后的慢波睡眠阶段的活动相关性要明显高于其在建立条件反应之前慢波睡眠时的相关性，而且这一增加主要发生在 ripple高频振荡期间。实验结果提示，小鼠在建立条件反
8、射关联时，对于电击刺激有反应的神经元的同步活动增强了相关网络的节点连接：在由电击恐惧引起的僵滞状态和电击关联之后的慢波睡眠时，这一增强的网络连接能够被特异地重新激活，从而得到进一步的巩固。对群体神经元活动的多重判别分析显示，在刻画群体神经元活动的三维子空间中，代表神经元对于纯音刺激反应的特征椭圆的位置随着反应阶段的不同而发生变化：在条件反射建立之前，表征纯音的椭圆位于与表征静息状态的椭圆接近的位置；在条件反射建立的过程中，这一椭圆移向了表征电击反应的椭圆；在睡眠巩固阶段之后的线索性回忆过程中，这个椭圆则进一步远离表征静息状态的椭圆而靠近表征电击反应的椭圆。这一结果提示，外界的事件经历和大脑内在
9、记忆痕的自发重激活都能够调节海马神经网络节点的连接强度，从而影响神经网络的活动状态。本研究全面、深入地考察了小鼠海马神经网络在恐惧记忆的习得、巩固和再认过程中的动态活动，表明海马群体神经元的活动能够动态地调节神经网络节点连接的权重，从而完成记忆的编码过程。三、NMDA 受体通过改变突触连接权重调节海马 CA1 脑区的神经网络活动海马群体神经元活动通过调节网络的节点连接权重来编码相关联的情景记忆，而 NMDA 受体在调节突触可塑性中起重要作用，这提示我们海马的 NMDA 受体可能通过调节突触可塑性直接影响神经网络对于恐惧记忆的编码。为了验证这一假设，我们利用海马 CA1 脑区 NMDA 受体特异
10、性敲除的小鼠，研究 NMDA 受体在恐惧记忆形成过程中的作用。本实验中，我们比较研究了 9 只突变小鼠和 10 只对照小鼠在恐惧条件反射建立过程中海马群体神经元的不同活动规律。首先我们利用多重判别分析比较研究突变小鼠和正常小鼠海马群体神经元对各类惊吓刺激的编码模式。结果显示，突变小鼠的海马神经网络活动能够表征各类惊吓刺激，提示突变小鼠的神经网络虽然在海马 CA1 区缺乏NMDA 受体介导的突触可塑性，但是依然能够将表征外界惊吓刺激的信息传入到海马 CA1 区，以调节其网络的活动。进一步的行为学比较实验表明，突变小鼠难以形成非条件刺激和条件刺激之间的关联记忆。在体记录的实验结果显示，突变小鼠在建
11、立条件刺激(纯音) 与非条件刺激(电击) 的强化关联过程中，大多数对于电击刺激有反应的神经元对于纯音刺激不能形成明显的反应。这一结果说明，在记忆形成阶段，突变小鼠海马神经网络的调节能力受到了影响，从而难以形成关联记忆。比较条件反射建立前后两个慢波睡眠阶段的神经元放电频率的相关性也显示没有显著差异，说明在记忆的巩固阶段，突变小鼠海马神经网络的动态调节也受到了影响。这些结果表明，突变小鼠在海马 CA1 脑区由于缺乏 NMDA 受体介导的突触可塑性功能，从而影响了其海马神经网络调节和重新激活节点连接的能力，提示 NMDA 受体在调节和维持编码恐惧记忆相关的神经网络连接中起重要作用。本研究首次比较了正
12、常小鼠和突变小鼠在经历恐惧条件反射时，海马神经网络的活动变化，结果表明，NMDA 受体的对突触可塑性的调节作用可能是海马神经网络编码惊吓事件记忆的主要生理学基础之一。四、通过实时记忆密码控制机械装置对于海马神经网络编码恐惧记忆的内在机理的了解促使我们利用这些假说来构建脑机界面，从而将大脑的活动信号转变为具体的指令来控制人工的机械装置。我们主要采用了两类算法对神经信号进行转换：基于神经元簇反应的方法和基于多重判别分析的方法。转换得到的二进制代码被用于翻译成相应的机器指令控制人工的机械装置，例如，精神活动自动记录仪和大门控制开关。在实验过程中，模拟地震的突然性摇晃惊吓被用作激活小鼠海马群体神经元活
13、动的外界刺激，神经元对摇晃刺激的反应被作为信号源被转换成控制机械装置的指令。在经过一系列的训练后，群体神经元对与摇晃刺激相关联的关门刺激的反应，以及群体神经元对摇晃刺激反应的自发重激活也都可能达到一定的转换阈值，因而能够被用作信号源控制机械装置。脑机界面的成功应用表明，惊吓刺激引起的神经网络的活动能够被用作稳定的信号源来控制人工机械装置，这也进一步证明，海马的群体神经元活动参与了惊吓性恐惧记忆的编码。本论文从群体神经元网络水平深入研究了海马神经网络对于惊吓性恐惧记忆的编码过程，首次利用在体多通道记录技术比较分析了正常小鼠和海马 CA1 脑区 NMDA 受体敲除突变小鼠在学习记忆过程中神经网络活
14、动的不同特点，并在此基础上探讨神经元簇编码理论的脑机界面控制中的实际应用，这一系列研究对了解神经网络的编码机制，进一步开展相关研究具有重要意义。 【关键词】：巴甫洛夫恐惧条件反射海马神经元簇特征金字塔假说慢波睡眠(SWS)NMDA 受体脑机界面(BCI)【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：Q42【目录】：论文摘要 6-10Abstract10-18Chapter1.Introduction:Fearmemory18-401.1.Overview181.2.Background18-351.3.Thesisorganization35-36Fig
15、ures36-40Chapter2.Activityofneuralcliquesinthehippocampusencodingintensityofstartleepisodes40-68 摘要 40-412.1.Abstract412.2.Introduction41-422.3.Methods42-482.4.Results48-502.5.Discussion50-52Figuresandtables52-68Chapter3.DynamicactivityofneuralnetworkinthehippocampalCA1regionencodingcontextualandtra
16、cefearmemory68-113 摘要 68-693.1.Abstract69-703.2.Introduction70-723.3.Methods72-753.4.Results75-823.5.Discussion82-85Figures85-113Chapter4.ChangesofsynapticweightsthroughNMDAreceptorsmodifyingneuralnetworkinthehippocampalCA1regionduringfearmemory113-139摘要 113-1144.1.Abstract1144.2.Introduction114-115
17、4.3.Methods115-1174.4.Results117-1194.5.Discussion119-122Figuresandtables122-139Chapter5.Directcontrolofmachinebyreal-timememorycodes139-166摘要 139-1405.1.Abstract1405.2.Introduction140-1415.3.Methods141-1445.4.Results144-1515.5.Discussion151-152Figuresandtables152-166AppendixPublications166-167Reference167-177Acknowledgements177 本论文购买请联系页眉网站。
