本文關(guān)鍵詞：耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)特性及耳蝸放大機(jī)制的模型研究

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【摘要】：聽覺是人類感知世界和賴以生存的基本能力之一,聽覺系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而奇妙的系統(tǒng),其具備良好的信息處理能力,一直吸引著科學(xué)家們的濃厚興趣。隨著對(duì)聽覺機(jī)制的深入研究,神經(jīng)生物學(xué)家認(rèn)識(shí)到僅由神經(jīng)生理學(xué)和解剖學(xué)的數(shù)據(jù)難以理解和推斷聽覺系統(tǒng)的作用機(jī)制,基于模型的研究成為探索聽覺機(jī)制的一個(gè)重要手段。由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性,以及實(shí)驗(yàn)條件和手段的局限性,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總是有限且不完整,因此,必須將生理實(shí)驗(yàn)與模型仿真有機(jī)結(jié)合,才可能由有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)已知,推斷聽覺生理學(xué)中的未知,揭示聽覺系統(tǒng)的內(nèi)部作用機(jī)制。聽覺生理學(xué)的研究成果又能被應(yīng)用到信息處理、聽力康復(fù)等應(yīng)用領(lǐng)域,為人類的科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本研究著手于聽覺系統(tǒng)的作用機(jī)制的研究,我們?cè)诮?jīng)典的漏積分放電模型基礎(chǔ)上,探討了興奮性輸入強(qiáng)度對(duì)耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,并對(duì)耳蝸中外毛細(xì)胞的主動(dòng)放大機(jī)制進(jìn)行了研究。 耳蝸核內(nèi)的信息處理,是聽覺中樞對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行信息處理的最先一環(huán)。耳蝸核神經(jīng)元響應(yīng)短純音刺激的主要反應(yīng)類型有類初級(jí)反應(yīng)型、梳狀型和給聲開始型。我們建立的興奮性模型可以仿真出耳蝸核神經(jīng)元的反應(yīng)類型,本文在此基礎(chǔ)上研究興奮性輸入強(qiáng)度對(duì)耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,并推測(cè)生理情況下抑制性輸入在神經(jīng)元響應(yīng)中的作用。我們?cè)贛atlab平臺(tái)上構(gòu)造基于積分-放電模型的興奮性模型,改變其輸入強(qiáng)度,多次重復(fù)刺激后用OriginPro7.5數(shù)據(jù)分析軟件獲得其刺激后時(shí)間直方圖,觀察神經(jīng)元的反應(yīng)類型是否隨刺激強(qiáng)度發(fā)生改變。仿真發(fā)現(xiàn)隨著刺激強(qiáng)度的增加,梳狀型的反應(yīng)類型的峰值變多,峰峰間周期逐漸變短,跟動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中阻斷抑制性輸入的結(jié)果一致。刺激強(qiáng)度的增加不會(huì)引起類初級(jí)反應(yīng)型的類型發(fā)生改變,這與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前腹側(cè)的耳蝸核中通過施加甘氨酸和γ-氨基丁酸拮抗物將抑制性輸入阻斷后,類初級(jí)反應(yīng)型神經(jīng)元的反應(yīng)類型幾乎不會(huì)被甘氨酸或Y-氨基丁酸改變的結(jié)果一致。同樣在模型實(shí)驗(yàn)中,本文觀察到給聲開始型隨著刺激強(qiáng)度的增加最終轉(zhuǎn)變?yōu)轭惓跫?jí)反應(yīng)型,然而,這種互變現(xiàn)象在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中幾乎沒有被觀察到。即隨著興奮性輸入強(qiáng)度的增加,初級(jí)反應(yīng)型只增加放電數(shù),梳狀型和給聲開始型還出現(xiàn)向初級(jí)反應(yīng)型轉(zhuǎn)變的結(jié)果,而生理?xiàng)l件下很少觀察到耳蝸核神經(jīng)元隨著刺激強(qiáng)度的變化而改變其反應(yīng)類型�；诜抡娼Y(jié)果和生理實(shí)驗(yàn)的比較,本文推測(cè)耳蝸核神經(jīng)元接收到的不是單一的興奮性輸入,抑制性輸入對(duì)神經(jīng)元響應(yīng)聲音刺激時(shí)將膜電位穩(wěn)定到一定范圍起著重要作用,這種多種輸入整合的共同作用最終決定神經(jīng)元的反應(yīng)類型和響應(yīng)特性�？赡苁且�?yàn)檎Ｉ項(xiàng)l件中存在著抑制性輸入的增益調(diào)節(jié)作用,這種平衡的抑制性輸入能減少興奮性輸入的幅度,使神經(jīng)元膜電位保持在有限范圍內(nèi),保證了給定神經(jīng)元的反應(yīng)類型在高強(qiáng)度刺激時(shí)不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌念愋?從而確保聲音信息編碼和傳遞的準(zhǔn)確性。 耳蝸聽覺生理一直是聽覺研究的一個(gè)最為活躍的領(lǐng)域,科學(xué)家們力求能系統(tǒng)研究耳蝸生理學(xué),探討耳蝸對(duì)聲音調(diào)控的神經(jīng)生理機(jī)制。在哺乳類動(dòng)物的耳蝸中,內(nèi)耳毛細(xì)胞是最重要的聽覺感受器。毛細(xì)胞通過機(jī)械-電換能離子通道(mechano-electrical transduction, MET)把纖毛束的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為細(xì)胞膜電位的變化,其中毛細(xì)胞是運(yùn)用怎樣的一套放大機(jī)制來保持令人驚嘆的聽覺靈敏性和頻率選擇性,其生物學(xué)基礎(chǔ)的細(xì)節(jié)仍為當(dāng)今活躍的研究課題。 哺乳動(dòng)物正常的聽覺功能依賴于耳蝸的主動(dòng)放大機(jī)制,毛細(xì)胞的主動(dòng)活動(dòng)能對(duì)輸入耳蝸的聲音刺激進(jìn)行放大。外毛細(xì)胞膜電位的變化能夠引起細(xì)胞長(zhǎng)度的改變,這種獨(dú)一無二的現(xiàn)象被稱為外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng),外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)不直接依賴于ATP和鈣離子的濃度。外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)能夠?qū)Χ伝啄さ恼駝?dòng)進(jìn)行放大和修飾,是哺乳動(dòng)物內(nèi)耳聽覺器官高靈敏度和頻率選擇性的基礎(chǔ)。隨著耳聾發(fā)病機(jī)制研究的快速發(fā)展,對(duì)耳蝸主動(dòng)放大機(jī)制的探索成為理解耳聾發(fā)病機(jī)制的最關(guān)鍵一環(huán)�，F(xiàn)階段已有許多針對(duì)主動(dòng)放大機(jī)制的生物物理,生物化學(xué)和分子特性過程的科學(xué)研究。研究表明以prestin動(dòng)力蛋白為分子基礎(chǔ)的外毛細(xì)胞能動(dòng)性是耳蝸主動(dòng)放大機(jī)制形成的必要條件。然而耳蝸主動(dòng)放大的具體機(jī)制尚不明確,這也使得其成為聽覺研究的熱點(diǎn)問題�，F(xiàn)階段主要有兩種機(jī)制解釋耳蝸主動(dòng)放大功能,一種是電壓依賴的體細(xì)胞能動(dòng)性,是外毛細(xì)胞側(cè)壁膜中的動(dòng)力蛋白prestin的作用效果；另一種是由鈣電流驅(qū)動(dòng)的毛束的能動(dòng)性。 Prestin膜蛋白屬于一個(gè)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)載體(SLC26)家族,密集分布在外毛細(xì)胞的側(cè)膜上。Prestin蛋白分子形狀的改變依賴于細(xì)胞內(nèi)陰離子,特別是氯離子。Prestin是哺乳動(dòng)物所獨(dú)有的,它可能為哺乳動(dòng)物的耳蝸放大提供主要的動(dòng)力。外毛細(xì)胞膜的去極化導(dǎo)致軸向收縮,超極化電位時(shí)軸向伸長(zhǎng),改變外毛細(xì)胞的跨膜電位,其長(zhǎng)度變化能達(dá)到5%。與外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)相關(guān)的是細(xì)胞膜的電容特性。外毛細(xì)胞的膜電容有線性和非線性兩部分,線性部分主要來源于脂質(zhì)雙層,細(xì)胞的大小(表面積)決定了線性電容的大小,而非線性部分可分別來源于離子通道的開啟和關(guān)閉部分,以及來源于電致運(yùn)動(dòng)的部分。外毛細(xì)胞的電荷運(yùn)動(dòng)／電壓和外毛細(xì)胞長(zhǎng)度／電壓間的關(guān)系通常都用S形雙態(tài)玻爾茲曼函數(shù)擬合,外毛細(xì)胞的非線性電容是一鐘形曲線,因?yàn)樗荢形電荷／電壓關(guān)系的導(dǎo)數(shù)。由于外毛細(xì)胞能動(dòng)性和非線性電容間的緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系,我們可以通過測(cè)量非線性電容來了解電致運(yùn)動(dòng),非線性電容可由膜片鉗技術(shù)獲得。 毛細(xì)胞的興奮或抑制跟靜纖毛的擺動(dòng)方向有關(guān),當(dāng)靜纖毛朝其最高一排方向偏轉(zhuǎn)時(shí),靜纖毛頂端附著的門控彈簧被拉長(zhǎng),毛細(xì)胞去極化產(chǎn)生興奮；當(dāng)靜纖毛朝其較短一排方向偏轉(zhuǎn)時(shí),毛細(xì)胞出現(xiàn)超極化產(chǎn)生抑制。MET通道通過頂連接進(jìn)行門控,通道的開放沒有固定的張力,相反,通道開放是個(gè)概率事件,其概率隨著張力的變大而增加。MET通道是一個(gè)陽(yáng)離子通道,主要選擇性通過鉀離子和鈣離子,其單通道電導(dǎo)可達(dá)到l00pS甚至更大,并且在毛束偏轉(zhuǎn)中顯示出超快的動(dòng)力學(xué),通道數(shù)的測(cè)定研究發(fā)現(xiàn)每根靜纖毛上約有1.5個(gè)通道數(shù)。MET通道包括快適應(yīng)和慢適應(yīng)兩種類型,適應(yīng)性表現(xiàn)為給予持續(xù)刺激時(shí)反應(yīng)出現(xiàn)下降。適應(yīng)性使其能夠根據(jù)刺激條件調(diào)節(jié)他們的敏感性,從而只對(duì)變化的刺激強(qiáng)度做出反應(yīng)。鈣離子是MET通道性能的一個(gè)重要信號(hào)。靜纖毛鈣離子的改變能影響適應(yīng)的快和慢兩個(gè)階段,還影響通道的激活,減少外部鈣離子或增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子將使通道激活和快適應(yīng)的時(shí)間進(jìn)程變慢。 本研究探討了輸入強(qiáng)度對(duì)耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,對(duì)耳蝸放大機(jī)制的研究進(jìn)展加以綜述,為后續(xù)的研究做了前期準(zhǔn)備工作。本文回顧了耳蝸主動(dòng)放大的研究歷史,介紹了基底膜的振動(dòng)特點(diǎn),為后續(xù)內(nèi)外毛細(xì)胞的聲轉(zhuǎn)換研究做好文獻(xiàn)查閱工作。對(duì)外毛細(xì)胞胞體的電致運(yùn)動(dòng)及非線性電容特性進(jìn)行了介紹,并對(duì)外毛細(xì)胞的prestin單個(gè)分子到細(xì)胞的分子集群是如何做到放大進(jìn)行了模型仿真,初步仿真表明只有當(dāng)各個(gè)prestin分子同步一致發(fā)生構(gòu)象改變時(shí),才能使其對(duì)外毛細(xì)胞長(zhǎng)度變化達(dá)到最大幅度,從而實(shí)現(xiàn)最大的能量利用率及跟隨效應(yīng)。本文還建立了一個(gè)模擬毛束偏轉(zhuǎn)的模型,來研究纖毛間的距離,高度差及偏轉(zhuǎn)角度對(duì)頂連接長(zhǎng)度變化的影響,結(jié)果顯示相鄰兩排靜纖毛的距離和高度差對(duì)頂連接長(zhǎng)度變化具有等效的作用,靜纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),頂連接的張力變大。在此基礎(chǔ)上,本研究的意義還在于可為研究電致運(yùn)動(dòng)與MET電流的循環(huán)關(guān)系,以及如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)耳敏感性和頻率選擇性增強(qiáng)的作用機(jī)制的打下研究基礎(chǔ)。 論文最后對(duì)研究工作中遺留的問題進(jìn)行了討論,并對(duì)今后的工作進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：耳蝸核神經(jīng)元 輸入強(qiáng)度 反應(yīng)類型 電致運(yùn)動(dòng) 纖毛偏轉(zhuǎn) 主動(dòng)放大
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R338.3
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-18
• 1.1 背景和意義14-16
• 1.2 立論依據(jù)16
• 1.3 內(nèi)容安排16-18
• 第2章 聽覺生理學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)18-28
• 2.1 哺乳動(dòng)物的聽覺18-24
• 2.1.1 聽覺外周傳導(dǎo)通路18-19
• 2.1.2 耳蝸的生理結(jié)構(gòu)19-21
• 2.1.3 聽覺中樞傳導(dǎo)通路21-24
• 2.2 神經(jīng)元及其模型24-26
• 2.2.1 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)24-25
• 2.2.2 動(dòng)作電位的發(fā)放機(jī)制及特性25-26
• 2.2.3 漏積分放電模型26
• 2.3 仿真軟件26-28
• 2.3.1 MATLAB26-27
• 2.3.2 Origin27-28
• 第3章 耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型隨刺激強(qiáng)度變化的模型研究28-33
• 3.1 耳蝸核生理實(shí)驗(yàn)研究28
• 3.2 耳蝸核模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)28-30
• 3.3 耳蝸核模型刺激強(qiáng)度變化的仿真實(shí)現(xiàn)30
• 3.4 結(jié)果與討論30-33
• 3.4.1 改變輸入強(qiáng)度30-31
• 3.4.2 討論31-33
• 第4章 耳蝸放大機(jī)制的模型研究33-50
• 4.1 耳蝸主動(dòng)放大的研究歷史33-35
• 4.2 基底膜及振動(dòng)測(cè)量35-38
• 4.3 外毛細(xì)胞的電致運(yùn)動(dòng)38-44
• 4.3.1 非線性電容39-40
• 4.3.2 Prestin動(dòng)力蛋白40-42
• 4.3.3 Prestin蛋白放大作用的仿真研究42-44
• 4.4 毛細(xì)胞纖毛運(yùn)動(dòng)機(jī)制44-50
• 4.4.1 機(jī)械-電換能通道44-45
• 4.4.2 適應(yīng)性現(xiàn)象45-46
• 4.4.3 門控彈簧模型46
• 4.4.4 纖毛偏轉(zhuǎn)的仿真研究46-50
• 第5章 總結(jié)與展望50-52
• 5.1 研究?jī)?nèi)容總結(jié)50-51
• 5.2 工作展望51-52
• 參考文獻(xiàn)52-58
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及取得的成果58-59
• 致謝59-61

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 徐月晉;周凌宏;肖中舉;;基于模型的耳蝸核反應(yīng)特性研究[J];南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào);2011年01期

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本文編號(hào)：863476