文章编号:042727104(2005)0420524204
收稿日期:2004211230
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30070189)
作者简介:曹 洋(1970-),女,讲师;通讯联系人顾凡及教授,博士生导师.
视网膜神经节细胞非经典感受野及
其方位倾向性的模型研究
曹 洋,顾凡及
(复旦大学生命科学学院脑科学研究中心生理学和生物物理学系,上海 200433)
摘 要:建立了包含无长突细胞相互抑制网络的视网膜神经节细胞的三层网络模型,以验证李朝义等提出的非经典感受野可能源于无长突细胞相互抑制的假说,并探讨神经节细胞感受野的方位倾向性的可能机制.模拟结果表明,通过无长突细胞之间的相互抑制可以形成神经节细胞的非经典感受野.模型模拟了神经节细胞的中心区和大周边区的方位倾向性及其相互作用,结果提示神经节细胞的方位倾向性可能主要源于神经节细胞树突野的空间分布.
关键词:视网膜;神经节细胞;非经典感受野;方位倾向性;模型
中图分类号:Q 811.3 文献标识码:A
在视网膜中,内网状层和外网状层的复杂网络对视觉信息进行了初步处理,由神经节细胞的轴突传送至视觉系统的其它部分.自50年代Kuffler 分析神经节细胞的感受野以来,感受野成为研究视觉信息处理的入手点.60年代起,研究者们1～4发现在经典的感受野(classical receptive field ,or CRF )之外,还存在一个大范围的区域,此区域内的小光点刺激并不能直接引起神经节细胞的反应,但能易化或抑制其反应,称为非经典感受野(non 2classical receptive field ,or nCRF ).这一发现大大拓宽了神经节细胞信息处理的范围.
基于非经典感受野存在的事实,在Rodieck 的同心圆拮抗式感受野模型(DO G ,Differences of G aus 2sian )5的基础上,李朝义等提出了线性的三高斯函数的数学模型6,黎臧等则提出了分流形式的三高斯模型7,但都未说明非经典感受野产生的机制.根据外膝体神经元的非经典感受野的亚区之间存在相互抑制、神经节细胞之前的无长突细胞之间存在大量的相互抑制的实验结果,李朝义等提出神经节细胞的非经典感受野源于无长突细胞之间的相互抑制的假设8,并建立数学模型进行了研究,但其模型结构比较简单,没有明确的视网膜神经回路,相互抑制作用实际上发生在刺激图形的各个光点之间,未能充分验证其理论.
在视网膜中,研究者们发现大约70%的神经节细胞具有明显的方位倾向性(orientation bias ),形态学研究表明神经节细胞拉长的椭圆形的树突野可能是方位倾向性的解剖学基础9～11.寿天德等人12在研究神经节细胞的方位倾向性时,将神经节细胞经典感受野的周边区(surround )和之外的非经典感受野(nCRF )合称为大周边区(extended surround ),实验结果表明大周边区也存在方位倾向性;整个感受野的方位倾向性有的由经典感受野的中心区(center )决定,有的由大周边区决定,有的中心区和大周边区有方位倾向性而整个细胞没有方位倾向性,情况相当复杂.
本文的目的是建立由无长突细胞相互抑制形成神经节细胞非经典感受野的模型,并对其方位倾向性的可能产生机制进行探讨.
第44卷 第4期2005年8月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol.44No.4Aug.2005
1 材料和方法
模型建立在Rodieck 的同心圆拮抗式感受野模型的框架下,但重点模拟视网膜内网状层(the inner plexiform layer )中无长突细胞的相互作用,简化了外网状层(the outer plexiform layer )中水平细胞的作用.
模型由三层构成.第一层是100×100的光感受器细胞和双极细胞层,与刺激图形逐点对应,覆盖范围10°×10°.以L (x ,y ,t )表示(x ,y )处t 时刻刺激图形的光强度,R (x ,y ,t )和B (x ,y ,t )表示对应的光感受器细胞和双极细胞的反应,即
B (x ,y ,t )=R (x ,y ,t )=L (x ,y ,t ).(1)
模型的第二层是15×15的无长突细胞层.以A u (i ,j ,t )表示(i ,j )处t 时刻的无长突细胞从双极细胞接受的反应,其感受野由二维高斯函数定义,即
A u (i ,j ,t )=κs
B (x ,y ,t )?k u ?exp (-((x -i )2+(y -j )2)/σ2u )d x d y ,(2)
其中k u 和σu 分别表示描述无长突细胞感受野的高斯函数的强度和范围.
无长突细胞之间的相互抑制采用非循环抑制的方式描述.以A i (i ,j ,t )表示(i ,j )处t 时刻的无长突细胞从其他无长突细胞得到的抑制反应,抑制反应也由二维高斯函数定义,即
A i (i ,j ,t )=κs A u (x ,y ,t )?k i ?exp (-((x -i )2+(y -j )2)/σ2i )d x d y ,(3)
其中k i 和σi 分别表示描述无长突细胞相互抑制的高斯函数的强度和范围.
每个无长突细胞的最终反应是从双极细胞接受的反应减去从其他无长突细胞得到的抑制反应,以A o (i ,j ,t )来表示(i ,j )处t 时刻的无长突细胞的最终反应,即
A o (i ,j ,t )=A u (i ,j ,t )-A i (i ,j ,t ).(4)
第三层是一个神经节细胞.考虑到无长突的输出以抑制为主,模型中假设兴奋性的中心区直接来自双极细胞,而抑制性的大周边区来自无长突细胞.感受野都采用二维的高斯函数描述;其最终反应是中心区和大
周边区反应的差值.以G (t )、
Center (t )和S urround (t )分别表示神经节细胞、中心区和大周边区的反应,即Center (t )=κs B (x ,y ,t )?k c ?exp (-(x 2+y 2)/σ2c )d x d y ,
Sorround (t )=κs
A o (i ,j ,t )?k s ?exp (-(i 2+j 2)/σ2s
)d j d j ,G (t )=Center (t )-Sorround (t ),(5)
其中k k 和σc 分别表示描述神经节细胞感受野中心区的高斯函数的强度和范围,k s 和σ
s 分别表示描述神经节细胞感受野大周边区的高斯函数的强度和范围.
在模拟神经节细胞的方位倾向性时,以上的4个二维高斯函数采用椭圆的形式,即引入偏心率e ,此
时的高斯函数形式为:k exp (-x 2(1+e 2)/σ2-y 2/(σ
2(1+e 2))).2 结 果
2.1 面积反应曲线(area response)
面积反应曲线是电生理实验中常用的确定感受野范围的方法,以面积逐渐增大的闪烁光斑作为刺激,细胞的反应先逐渐增加,反应最大处对应中心区的边界;然后细胞的反应逐渐减小,反应最小处对应周边区的边界;在此之外的区域则是非经典感受野.
在模拟时首先只考虑DO G 模型.模型中神经节细胞的感受野参数为:k c =1,σc =0.25°
,k s =0.05,σs =1°
.刺激光斑的时间频率为2Hz ,直径为0.2°～6°时,DO G 模型的面积反应曲线如图1(见526页)中的实心方块曲线所示.然后在模型中加入无长突细胞,σu =0.25°
,但暂时不考虑无长突细胞之间的抑制作用.给予同样的刺激,k u 取不同值时,模型的模拟结果见图1中的其他曲线.从图中可看出,包括相互无抑制的无长突细胞时,模型的反应与DO G 模型的结果基本一致.最后,在模型中加入无长突细胞之间的相525 第4期曹 洋等:视网膜神经节细胞非经典感受野及其方位倾向性的模型研究
互抑制作用,σi =1.0°
.给予同样的刺激,当k i 取1.0～1.4时,模型的面积反应曲线如图2所示.从图中可看出,非经典周边的去抑制作用很明显地存在.
2.2 方位倾向性(Orientation bias)
当模型中的二维高斯函数采用椭圆的形式时,神经节细胞的反应表现出明显的方位倾向性(>0.1),图3表示了分别刺激中心区、大周边区和整个感受野时三个神经节细胞的方位调谐曲线,其中中心区、大周边区和整个感受野的刺激光栅的空间频率分别为0.7,0.3和0.5周每度,中心区的半径是0.75°,大周边区的范围1.25°到4.5°.图3A 中神经节细胞的中心区和大周边区的偏心率分别为0.8和0;分别刺激中心区、大周边区和整个细胞,细胞的方位倾向性分别为0.18,0.01和0.13;即整个细胞的最优方位与中心区相同.图3B 中神经节细胞的中心区和大周边区的偏心率分别为0和0.99;分别刺激中心区、大周边区和整个细胞,细胞的方位倾向性分别为0.01,0.37和0.10;即整个细胞的最优方位与大周边区的相同.图3C 中神经节细胞的中心区和大周边区的偏心率分别为0.7和0.9,长轴方向相互垂直;分别刺激中心区、大周边区和整个细胞,细胞的方位倾向性分别为0.12、0.13和0.01;即中心区和大周边区都有相同的最优方位,但整个细胞没有表现出方位倾向性
.
图3 运动光栅分别刺激中心区(实心圆和实线)、大周边区(实心三角和虚线)和整个感受野(实心方块和点线)时
的三个神经节细胞的方位调谐曲线
Fig.3 Orientation tuning curves of three ganglion cells when their center (solid circle with solid line ),
the extended surround (solid triangles with dash line )and the whole area (solid block with dot line )
A.整个感受野的最优方位与中心区的最优方位一致;
B.整个感受野的最优方位与大周边区
的最优方位一致;C.中心区和大周边区表现出明显的方位倾向性,但整个感受野却没有方位倾向性
625 复旦学报(自然科学版)第44卷
在模拟中,当描述中心区感受野的高斯函数的偏心率大于0.7时,或描述大周边区的高斯函数的偏心率大于0.99时,整个细胞就可以表现出明显的方位倾向性.但即使所有无长突细胞按一个方位规则排列,且描述无长突细胞感受野的高斯函数的偏心率都为0.999时;或描述无长突细胞之间相互抑制的高斯函数的偏心率为0.999时,整个细胞也不能表现出明显的方位倾向性.这表明神经节细胞的方位倾向性主要源于其感受野中心区和大周边区的椭圆,无长突细胞感受野的形状和规则排列的影响有限.
3 讨 论
视网膜又被称为“外周脑”,对视觉信息进行了初步的处理.视网膜中的内网状层和外网状层中存在复杂的网络结构,目前对内网状层特别是无长突细胞的功能还不够了解.有研究结果表明,无长突细胞的作用大部分是抑制性的13.Passaglia 等人的电生理学实验发现,在猫的神经节细胞的非经典感受野中的确存在许多亚区14,为神经节细胞的非经典感受野源于无长突细胞的相互抑制提供了进一步的实验证据.我们建立的神经节细胞模型主要考虑了内网状层中无长突细胞的抑制作用,模型研究表明无长突细胞的相互抑制的确可以形成非经典感受野.
与形状感知相关的方位倾向性是神经节细胞的重要功能之一.寿天德等人的实验结果表明大部分神经节细胞都具有明显方位倾向性,其中心区和大周边区的方位倾向性可能不一致,而且存在相互作用12.形态学研究表明中心区的方位倾向性可能源于拉长的椭圆形的树突野11,但对大周边区的方位倾向性的就产生机制还没有实验证据.我们的模型研究提示,大周边区的方位倾向性主要与大周边区的范围为椭圆形有关,无长突细胞的形状在规则排列时也有一定的关系.但在视网膜中,无长突细胞的种类繁多,其排列也没有一定的规则,因此无长突细胞的形状对神经节细胞的方位倾向性应该影响较小.总之,神经节细胞感受野的形状和结构是复杂的,其方位倾向性的产生机制还有待于实验的进一步证实.
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LU Qun 1,2,3,MI NG Feng 2,3,LOU Y u 2xia 1,ZH ANG Shan 2shan 2,3,ZHOU Gen 2yu 1,SHE N Da 2leng 2,3
(1.School of L if e and Environment Science ,S hanghai Norm al U niversity ,S hanghai 200234,China ;2.S tate Key
L aboratory of Genetic Engineering ,Institute of Genetics ,School of L if e Sciences ,Fudan U niversity ,S hanghai 200433,China ;3.Minist ry of Education Key L aboratory f or Biodiversity Science and Ecological Engineering ,S hanghai 200433,China )Abstract :The full 2length OrL PT 1encoding phosphate transporter was isolated from rice (Oryza sativa L.).OrL PT 1is 1605bp long ,which encodes a 535amino aced polypeptide with conserved domain of N 2linked glycosylation ,casein kinase Ⅱand protein kinase C sites.This shows high degrees of similarity to known high 2affinity phosphate transporters in higher plants.S outhern blot analysis using 459bp probe of the OrL PT 1ORF indicated that this gene exists in multiple copy in rice genome.Western blot indicated that the putative phosphate transporter protein band with predicated size was detected by SDS 2PA GE.G ene expression in eukaryotes is being carried on.
K eyw ords :high affinity phosphate transporter ;Oryza sativa L.;S outhern blot ;Western blot
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13
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Modeling of the Non 2classical R eceptive Field and the
Orientation Bias of R etinal G anglion Cells
CAO Y ang ,G U Fan 2ji
(Depart ment of Physiology and Biophysics ,B rain Science Research Center ,
School of L if e Sciences ,Fudan U niversity ,S hanghai 200433,China )
Abstract :To test the assumption that the extended surround of the non 2classical receptive field of retinal ganglion cells might be formed from the mutual inhibition among the amacrine cells ,and to explore the possible mechanism underlying the orientation bias ,a three 2layer model of the non 2classical receptive field of retinal ganglion cells was constructed.Both area responses and orientation bias were simulated.Results hint that mutual inhibition among the amacrine cells plays a key role in the formation of extended surround in the non 2classical receptive field of the retinal ganglion cell ,and the orientation bias may mainly be decided by the elliptic shape of the dendrite field of the ganglion cell ,while the shape of the dendrite field of amacrine cell has little influence.
K eyw ords :retina ;ganglion cell ;nonclassical receptive field ;orientation bias ;modeling 335 第4期
路 群等:水稻高亲和力磷酸盐转运蛋白基因的克隆、表达及检测