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

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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。隨著對聽覺機制的深入研究,神經(jīng)生物學(xué)家認(rèn)識到僅由神經(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)的作用機制,基于模型的研究成為探索聽覺機制的一個重要手段。由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性,以及實驗條件和手段的局限性,實驗數(shù)據(jù)總是有限且不完整,因此,必須將生理實驗與模型仿真有機結(jié)合,才可能由有限的實驗數(shù)據(jù)證實已知,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。本研究著手于聽覺系統(tǒng)的作用機制的研究,我們在經(jīng)典的漏積分放電模型基礎(chǔ)上,探討了興奮性輸入強度對耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,并對耳蝸中外毛細(xì)胞的主動放大機制進行了研究。 耳蝸核內(nèi)的信息處理,是聽覺中樞對聲音信號進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度對耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,并推測生理情況下抑制性輸入在神經(jīng)元響應(yīng)中的作用。我們在Matlab平臺上構(gòu)造基于積分-放電模型的興奮性模型,改變其輸入強度,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間直方圖,觀察神經(jīng)元的反應(yīng)類型是否隨刺激強度發(fā)生改變。仿真發(fā)現(xiàn)隨著刺激強度的增加,梳狀型的反應(yīng)類型的峰值變多,峰峰間周期逐漸變短,跟動物實驗中阻斷抑制性輸入的結(jié)果一致。刺激強度的增加不會引起類初級反應(yīng)型的類型發(fā)生改變,這與動物實驗前腹側(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,類初級反應(yīng)型神經(jīng)元的反應(yīng)類型幾乎不會被甘氨酸或Y-氨基丁酸改變的結(jié)果一致。同樣在模型實驗中,本文觀察到給聲開始型隨著刺激強度的增加最終轉(zhuǎn)變?yōu)轭惓跫壏磻?yīng)型,然而,這種互變現(xiàn)象在動物實驗中幾乎沒有被觀察到。即隨著興奮性輸入強度的增加,初級反應(yīng)型只增加放電數(shù),梳狀型和給聲開始型還出現(xiàn)向初級反應(yīng)型轉(zhuǎn)變的結(jié)果,而生理條件下很少觀察到耳蝸核神經(jīng)元隨著刺激強度的變化而改變其反應(yīng)類型�；诜抡娼Y(jié)果和生理實驗的比較,本文推測耳蝸核神經(jīng)元接收到的不是單一的興奮性輸入,抑制性輸入對神經(jīng)元響應(yīng)聲音刺激時將膜電位穩(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�？赡苁且驗檎Ｉ項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)類型在高強度刺激時不會轉(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),探討耳蝸對聲音調(diào)控的神經(jīng)生理機制。在哺乳類動物的耳蝸中,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)胞是運用怎樣的一套放大機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。 哺乳動物正常的聽覺功能依賴于耳蝸的主動放大機制,毛細(xì)胞的主動活動能對輸入耳蝸的聲音刺激進行放大。外毛細(xì)胞膜電位的變化能夠引起細(xì)胞長度的改變,這種獨一無二的現(xiàn)象被稱為外毛細(xì)胞電致運動,外毛細(xì)胞電致運動不直接依賴于ATP和鈣離子的濃度。外毛細(xì)胞電致運動能夠?qū)Χ伝啄さ恼駝舆M行放大和修飾,是哺乳動物內(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)病機制研究的快速發(fā)展,對耳蝸主動放大機制的探索成為理解耳聾發(fā)病機制的最關(guān)鍵一環(huán)�，F(xiàn)階段已有許多針對主動放大機制的生物物理,生物化學(xué)和分子特性過程的科學(xué)研究。研究表明以prestin動力蛋白為分子基礎(chǔ)的外毛細(xì)胞能動性是耳蝸主動放大機制形成的必要條件。然而耳蝸主動放大的具體機制尚不明確,這也使得其成為聽覺研究的熱點問題�，F(xiàn)階段主要有兩種機制解釋耳蝸主動放大功能,一種是電壓依賴的體細(xì)胞能動性,是外毛細(xì)胞側(cè)壁膜中的動力蛋白prestin的作用效果；另一種是由鈣電流驅(qū)動的毛束的能動性。 Prestin膜蛋白屬于一個陰離子轉(zhuǎn)運溶質(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是哺乳動物所獨有的,它可能為哺乳動物的耳蝸放大提供主要的動力。外毛細(xì)胞膜的去極化導(dǎo)致軸向收縮,超極化電位時軸向伸長,改變外毛細(xì)胞的跨膜電位,其長度變化能達到5%。與外毛細(xì)胞電致運動相關(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,以及來源于電致運動的部分。外毛細(xì)胞的電荷運動／電壓和外毛細(xì)胞長度／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,因為它是S形電荷／電壓關(guān)系的導(dǎo)數(shù)。由于外毛細(xì)胞能動性和非線性電容間的緊密的對應(yīng)關(guān)系,我們可以通過測量非線性電容來了解電致運動,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方向有關(guān),當(dāng)靜纖毛朝其最高一排方向偏轉(zhuǎn)時,靜纖毛頂端附著的門控彈簧被拉長,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,毛細(xì)胞出現(xiàn)超極化產(chǎn)生抑制。MET通道通過頂連接進行門控,通道的開放沒有固定的張力,相反,通道開放是個概率事件,其概率隨著張力的變大而增加。MET通道是一個陽離子通道,主要選擇性通過鉀離子和鈣離子,其單通道電導(dǎo)可達到l00pS甚至更大,并且在毛束偏轉(zhuǎn)中顯示出超快的動力學(xué),通道數(shù)的測定研究發(fā)現(xiàn)每根靜纖毛上約有1.5個通道數(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,從而只對變化的刺激強度做出反應(yīng)。鈣離子是MET通道性能的一個重要信號。靜纖毛鈣離子的改變能影響適應(yīng)的快和慢兩個階段,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)的時間進程變慢。 本研究探討了輸入強度對耳蝸核神經(jīng)元反應(yīng)類型的影響,對耳蝸放大機制的研究進展加以綜述,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放大的研究歷史,介紹了基底膜的振動特點,為后續(xù)內(nèi)外毛細(xì)胞的聲轉(zhuǎn)換研究做好文獻查閱工作。對外毛細(xì)胞胞體的電致運動及非線性電容特性進行了介紹,并對外毛細(xì)胞的prestin單個分子到細(xì)胞的分子集群是如何做到放大進行了模型仿真,初步仿真表明只有當(dāng)各個prestin分子同步一致發(fā)生構(gòu)象改變時,才能使其對外毛細(xì)胞長度變化達到最大幅度,從而實現(xiàn)最大的能量利用率及跟隨效應(yīng)。本文還建立了一個模擬毛束偏轉(zhuǎn)的模型,來研究纖毛間的距離,高度差及偏轉(zhuǎn)角度對頂連接長度變化的影響,結(jié)果顯示相鄰兩排靜纖毛的距離和高度差對頂連接長度變化具有等效的作用,靜纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn)時,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動與MET電流的循環(huán)關(guān)系,以及如何實現(xiàn)內(nèi)耳敏感性和頻率選擇性增強的作用機制的打下研究基礎(chǔ)。 論文最后對研究工作中遺留的問題進行了討論,并對今后的工作進行了展望。
【關(guān)鍵詞】：耳蝸核神經(jīng)元 輸入強度 反應(yīng)類型 電致運動 纖毛偏轉(zhuǎn) 主動放大
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：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 動作電位的發(fā)放機制及特性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)類型隨刺激強度變化的模型研究28-33
• 3.1 耳蝸核生理實驗研究28
• 3.2 耳蝸核模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)28-30
• 3.3 耳蝸核模型刺激強度變化的仿真實現(xiàn)30
• 3.4 結(jié)果與討論30-33
• 3.4.1 改變輸入強度30-31
• 3.4.2 討論31-33
• 第4章 耳蝸放大機制的模型研究33-50
• 4.1 耳蝸主動放大的研究歷史33-35
• 4.2 基底膜及振動測量35-38
• 4.3 外毛細(xì)胞的電致運動38-44
• 4.3.1 非線性電容39-40
• 4.3.2 Prestin動力蛋白40-42
• 4.3.3 Prestin蛋白放大作用的仿真研究42-44
• 4.4 毛細(xì)胞纖毛運動機制44-50
• 4.4.1 機械-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 研究內(nèi)容總結(jié)50-51
• 5.2 工作展望51-52
• 參考文獻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】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 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;2011年01期

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本文編號：863476