特定类型神经元钙成像的静息态脑皮层功能连接研究

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静息态脑功能连接(Resting-state functional connectivity,RSFC)多指大脑在不受外界刺激的条件下,以自发神经活动信号的时空相关性来表征的脑区间功能连接,是认知脑功能、理解脑疾病的重要途径之一。被广泛采用的磁共振成像RSFC研究依赖神经-血管耦合机制,只能通过血液动力学信号间接反映神经活动,不能构建基于神经电活动规律的功能连接,对特定类型神经元活动的功能连接更缺少深入研究。随着神经元标记技术的发展,基因编码的钙指示剂GCa MP能特异性标记单一类型的神经元,结合荧光钙成像技术,可以实现对特定类型神经元活动的探测和追踪,有效地解决了RSFC研究中的信号来源问题。本文使用GCa MP6s荧光探针分别标记囊泡谷氨酸转运体(Vesicular glutamate transporter 2,VGLUT2)兴奋性神经元,及三种抑制性中间神经元:小清蛋白(Parvalbumin,PV)、生长抑制素(Somatostatin,SOM)、血管活性肠肽(Vasoactive intestinal polypeptide,VIP)神经元,利用宽场钙成像技术对脑皮层特定类型神经元在成年、发育时期、麻醉状态下的静息态功能连接进行研究。研究的主要内容包括:(1)搭建了用于清醒小鼠的脑皮层宽场荧光钙成像系统,研究了成年小鼠脑皮层四种特定类型神经元的静息态功能连接。利用基于密度中心的快速聚类方法划分出了各类神经元活动的主要RSFC模式,比较分析了不同类型神经元的RSFC特征。研究发现在所观察的大多数脑区中,VGLUT2神经元低频自发活动的RSFC空间分布模式与其他抑制性神经元相似,但其RSFC连接强度、连接涉及的脑区范围均大于抑制性神经元的RSFC。不同类型神经元RSFC模式之间的差异主要表现在以下脑区的中后部:运动皮层、躯体感觉皮层和桶状皮层。特别是,VGLUT2神经元单侧桶状皮层中部、中后部、尾侧的低频自发神经活动分别和运动皮层的中部、中后部、尾侧具有较高的相关性,而PV、SOM、VIP神经元的功能连接模式中没有发现这种脑区不同位置相对应的特征。(2)基于慢性颅骨成像窗模型,采用宽场钙成像技术,对特定类型神经元静息态功能连接在大脑发育过程中的变化进行了探究。发现皮层上特定类型神经元各个脑区低频自发活动之间的功能连接强度在大脑发育过程中是动态变化的,部分脑区之间的功能连接强度在两个发育阶段中呈现反向变化。VGLUT2神经元在大脑发育早期(出生后第10~14天)就已经建立了较为完善的功能连接模式。抑制性神经元的RSFC随着大脑发育逐渐建立,连接强度和连接涉及的脑区范围随大脑发育逐渐增大,并且在这期间建立双侧半脑之间的功能连接。另外,在发育早期三种抑制性神经元都没有出现桶状皮层和运动皮层之间的功能连接模式,PV神经元在发育的第一阶段(出生后第14~28天)出现,而SOM、VIP神经元在发育的第二阶段(出生后第28~56天)出现该连接模式。(3)爆发抑制(Burst suppression,BS)是大脑在深度麻醉状态下出现的一种脑电图(Electroencephalogram,EEG)模式。利用宽场钙成像技术并结合EEG记录,探究了静息态功能连接在深度麻醉状态下的特征。发现当EEG呈抑制特征时,观察范围内脑区的VGLUT2神经元活动被抑制;而当EEG出现爆发波形时,枕顶叶靠近中线皮层(次级运动皮层、脾后区)VGLUT2神经元的自发活动具有高度的时间相关性。在七氟烷和异氟烷诱导的BS状态下,钙信号“爆发”的峰值幅度和出现“爆发”的脑区范围均大于丙泊酚诱导的BS。另外,比较了额叶皮层的EEG信号与枕顶叶皮层钙信号之间的相关性,发现在枕顶叶靠近中线皮质区域的钙信号与EEG信号相关性比视场范围内的其他皮质区域更高。结果提示,BS状态下皮层VGLUT2神经元活动表现出新的空间模式。
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