人类大脑皮层特殊中间神经元的电生理和形态学特性

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人类能够成为生物圈中最成功的物种,是由于我们拥有着哺乳动物中最为强大和灵活的大脑新皮层。大脑新皮层是许多人类特有的复杂认知活动的执行中枢,这些认知活动包括联想学习、抽象思维等等。到目前为止,对于大脑新皮层的基本工作方式,及与其它动物有何本质差别,人们了解甚微。使用电生理记录的实验手段在活性离体组织中鉴别和刻画大脑皮层各种神经元的性质,是一种直接有效的研究角度来了解人类大脑皮层,进而为探讨人脑神经网络的组织结构提供最基本的依据。  在神经外科手术分离出的病人病理脑组织中,应用全细胞膜片钳的实验手段,我们发现一类特别的大脑皮层神经元,可以在一个短暂的刺激结束以后,持续发放动作电位。进一步地,这种持续性电活动(persistent activity)是由于短暂刺激引发的一小段平台式持续去极化电位导致的,而强烈的长时间刺激则会抑制这种平台电位,进而抑制持续性动作电位发放。应用药理学的实验手段以及计算机仿真模拟的方法,我们证明这种平台电位完全依赖于一种持续性慢失活的钠离子电流(persistent Na+ current)。接着,我们通过神经元形态重构、单细胞反转录聚合酶链式反应(RT-PCR)等方法,鉴定了这些特殊神经元的细胞形态特征及表达的分子生物学标记,证明它们是属于一类的皮层抑制性中间神经元。我们将这种神经元称为持续放电神经元(persistent-activity neuron,PAN),它们在人脑皮层的非锥体神经元中所占比例大约为9%。进一步的实验证实,它们也同样存在于非人灵长类动物的大脑皮层中,但在啮齿类动物中却没有找到。这暗示了持续放电神经元可能是高级哺乳动物所特有,并在高级皮层功能中发挥作用。此外,我们还研究了人们熟知的另一类重要的抑制性中间神经元——快速放电(fast-spiking,FS)神经元的发放频率极限,并且发现,相比于人类大脑皮层中的快速放电神经元,猴大脑皮层中的快速放电神经元拥有着更高的发放频率极限。与PAN不同,这类神经元的动作电位具有较短的时程和极高的发放频率,可能在高频网络振荡中和精确信息传递中发挥重要作用。  以上对人类及非人灵长类动物大脑皮层中间神经元的研究结果,可以帮助我们进一步了解人类大脑皮层中间神经元的部分特性,理解其在复杂认知活动中可能发挥的重要作用,为此后阐明人类智力的独特之处提供基础实验线索。
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