中南民族大学
硕士学位论文
高频正弦脉冲弱磁场对海马神经元电活动的影响与生物磁效应
姓名：艾海明
申请学位级别：硕士
专业：生物医学工程
指导教师：刘向明
20070520
摘要
经颅磁刺激TMS是一种非伤害性电刺激神经组织的工具神经组
织包括脑皮层脊髓背根头盖骨和外周神经TMS有助于对潜在神经病
和神经紊乱的神经环路病理提供新的认识TMS能够发展为临床有效诊断
和病兆检验的手断也能够用于治疗很多的疾病, 这些被已有的研究所证实
的TMS可以作为单个脉冲不同时间间隔分离的成双脉冲不同频率的
反复刺激脉冲串用于刺激相同的或不同的脑区单刺激能够使神经元去极化并诱发适当的效果刺激串反复TMS能够修饰刺激位点和沿功能性解
剖连接的远隔部位脑皮层的兴奋性但是关于TMS如何影响特定细胞水
平和TMS精确作用机制必须阐明海马是机体感觉和运动的整合区许多
随意运动起始于海马皮层海马接受各种形式的感觉嗅觉视觉听觉和
躯体感觉系统传入冲动发出的纤维广泛投射到新皮质和脑干中枢海马不仅和情绪活动相关还参与学习记忆和条件反射的形成过程本文系统研究TMS对海马神经组织电活动的影响及其磁效应并以此为背景探求解
决上述问题的一般方法学
上述研究工作中动作电位峰峰间期的自动测量是后期数据处理分析必需的条件之一为了实现峰峰间期的自动测量运用3种滤波算法对神经放电信号中的干扰噪声进行了抑制结果表明基于3种滤波算法的应用软件都能较好地测量出动作电位的峰峰间期其中Wallis滤波的测量效果最佳
为阐明高频弱磁场对海马电活动的影响及其磁效应采用细胞外电生理记录技术当记录到稳定的海马神经元自发放电时程达到5分钟时然后关闭电生理记录仪器打开磁刺激器用圆形刺激线圈套住鼠头刺激时程设为10分钟并观察500Hz场强梯度分别为25Gs50Gs75Gs正弦脉冲磁
场对海马神经元电活动的影响结果表明
25Gs场强磁刺激对海马神经元放电频率有增强作用但是对海马神经
元放电形式没有影响
50Gs场强磁刺激不仅对海马神经元放电频率有增强作用而且50%
5/10的神经元出现放电形式的变化20%2/10的神经元由非周期性紧张
性放电tonic firing向周期性紧张性放电tonic firing转变10%1/10的
神经元由爆发式放电bursting转变为紧张性放电然后再转变为爆发式放电
bursting20%2/10的神经元由紧张性放电tonic firing转变为爆发式放电
bursting
75Gs场强磁刺激不仅对海马神经元放电频率有增强作用而且100%
13/13的神经元放电特征发生改变23%3/13的单个神经元转变为动作
电位特征相异如锋电位负后电位正后电位的两个神经元耦合放电随着
耦合放电关系的加强出现锁时关系time-lock的同步放电并且爆发式放电
bursting串内放电个数平均增加2.3个15.4%2/13的神经元爆发式放电形
式保持不变但串内放电个数平均增加2.8个46.1%6/13的神经元保持复合
式放电其爆发式放电串内发放个数平均增加1.9个15.4%2/13的神经元由紧张性放电tonic firing转变为复合放电firing-bursting complex
总结上述实验结果我们可以得出以下结论
1. 场强为25Gs50Gs75Gs磁刺激对海马神经元平均放电增频率分别为
42.3%105.6%248.3%显然场强越大磁刺激引起的增频效应越明显
2. 高频弱磁场磁刺激对海马细胞单位自发放电形式具有调制作用紧张性单位自发放电被调制成为爆发式单位放电而爆发式单位放电的神经元又可以被
解调成为紧张性单位放电的神经元
3. 高频弱磁场磁刺激对海马神经元爆发式单位放电有增强作用表现为爆发
式放电串频率增加和串内脉冲频率数增多显然磁刺激对海马神经元爆发式单
位自发放电具有易化作用
4. 用不同梯度场强磁刺激海马神经元引起的电活动变化呈现强度依赖关系即场强越大引起的生物磁效应越明显
关键词经颅磁刺激峰峰间期海马神经元生物磁效应
ABSTRACT
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool for the electrical stimulation of neural tissue, including cerebral cortex, spinal roots, and cranial and peripheral. TMS might provide novel insights into the pathophysiology of the neural circuitry underlying neurological and psychiatric disorders, be developed into clinically useful diagnostic and prognostic tests, and have therapeutic uses in various diseases. This potential is supported by the available studies,TMS can be applied as single pulses of stimulation,pairs of stimuli separated by variable intervals to the same or different brain areas, or as trains of repetitive stimuli at various frequencies. Single stimulation can depolarise neurons and evoke measurable effects. Trains of stimulation (repetitive TMS) can modify excitability of the cerebral cortex at the stimulated site and also at remote areas along functional anatomical connections. However, there are some problems about how TMS have an influence on cell that should be clarified and the investigation on precise effect of TMS should be idenfied. Hippocampus is integral domain for feeling and movement of body. Many artibitary movements begin with hippocampal cortex. Hippocampus can receive on a great deal of input impulse of feeling, such as olfaction vision hearing
and the system of body feeling. Emanatory fibre is widely connected with new cortex and brainstem. Hippocampus is not only associated with emotional activity, but also it takes part in formation of conditioned reflex learning and
recollection. In this investigation, the effect of TMS on electrical activity of hippocampus and its magnetic effects are by the numbers investigated. On this background, some new ideas of solving the above-mentioned problems also could be gotten from the research.
The auto-measure of interspike interval, on the above-mentioned research, is one of necessary terms for transacting and analyzing upper data. This paper introduces how to achieve auto-measurement of interspike interval and makes use of three filtering methods which suppress disturbing noise. The application software which implements three filter algorithms is able to survey interspike interval of action potential. The result indicates that Wallis filter algorithm has the best effect in surveying ISI among the three filters.
To identify the effect of high frequency and low intensity magnetic field on electrical activity of hippocampus and its magnetic effects. Using extracell electrical physiology technique, when spontaneous discharge of hippocampal neuron has been steadly registered for five minutes, the electrical physiology apparatus should be closed and the magnetic stimulation instrument is opened. Circular winding of stimulation hitchs the head of mouse.the time interval of stimulation is intercalated for 10 minutes. then the effects of 500Hz sinusoidal pulse magnetic field whose intensity is respectively 25Gs50Gs75Gs on electrical activity of hippocampal neuron is observed. The results were as follows:
The magnetic field intersity with 25Gs has an increscent effect with the discharge frequency of hippocampal neuron. But it has no effect with the discharge patterns.
The magnetic field intersity with 50Gs has not only an increscent effect with the discharge frequency of hippocampal neuron, but also 50 percent of ten neurons’ discharge pattern comes forth transition. Discharge pattern of 20 percent of ten neurons in hippocampus converts from non-rhythm tonic firing into rhythm tonic firing. Discharge pattern of 10 percent of ten neurons in hippocampus converts from bursting into tonic firing and from tonic firing into bursting again. Discharge pattern of 20 percent of ten neurons converts from tonic firing into bursting.
The magnetic field intersity with 75Gs has not only an intenfied effect with the firing frequency of hippocampal neuron, but also all thirteen neurons change their firing patterns.23 percent of thirteen neurons convert their discharge pattern from single-firing into two-coupling-firing. The two-coupling-firing neuron’s action potential character is dissimilar to each other, such as spike potential post negative potential post positive
potential. with stronger relation of two-coupling-firing neurons, the discharge formation of two neurons will show time-lock firing. The interspike number of bursting has averagely increased two point three. 15.4 percent of thirteen neurons don’t change bursting, but the interspike number of bursting has averagely increased two point eight.
46.1 percent of thirteen neurons keep up with firing-bursting. However, the interspike number of bursting has averagely increased one point nine. 15.4 percent of thirteen neurons follow the transition of unit discharge pattern from tonic firing to firing-bursting complex.
Some conclusion can be drawn from the above-mentioned experimental result:
1. The average augment frequency ratio of magnetic field intersity with 25Gs
50Gs75Gs, irrespectively, is 42.3%105.6%248.3%. Obviously, the augment
frequency effect of magnetic stimulation is more distinct when more great
magnetic stimulation intersity is given.
2. Magnetic stimulation with high frequency and low intersity can modulate the unit discharge pattern. tonic firng can be modulated into bursting, while bursting can be demodulated into tonic firing.
3. Magnetic stimulation with high frequency and low intersity has an augment effect on bursting. It could be observed that both frequency of bursting and number of interspike bursting have became great. Magnetic stimulation can make bursting more easy.
4. The electrical activity of hippocampus show intension-dependant relation for different grads intersity of magnetic stimulation. In other words, biomagnetic effect show more notable, if more great magnetic stimulation intersity is given.
Key words: Transcranial magnetic stimulation; Hippocampal neuron; Inter spike interval; Biomagnetic effect
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第1章绪论
1.1生物磁效应研究的国内外现状
磁生物学是研究不同外加磁场恒定交变脉冲对不同生物和不同
层次器官整体细胞和大分子等的效应及其作用机制的探讨[1]磁生
物学是一门磁学与生物学相结合的边缘学科它是在磁学和生物学不断发展的基础上而逐渐完善的
近年来国内外取得大量磁生物学效应的成果主要为磁场对生物体
一般状态的影响如生长发育活动和摄食等变化磁场对动物和人体
器官系统的影响如神经系统消化系统免疫系统等磁场对组织细胞
的影响如肿瘤组织肿瘤细胞磁场对遗传的影响磁场对生物大分
子的影响如蛋白质酶
随着磁生物学效应研究的不断深入磁场治疗疾病的方法已经逐步应用到临床上并有一些良好的效果特别是经颅磁刺激TMS(Transcranial
Magnetic Stimulation)通过非侵入性刺激线圈诱导组织产生感应电流进行工作刺激线圈放置于目标部位触发脉冲引起短暂的磁脉冲与传统的电刺激相比磁刺激的特点是并不刺激组织表面的疼痛神经纤维从而减轻生物体的不适感TMS的刺激方式主要有单个脉冲不同时间间隔的成双脉
冲和不同频率的重复刺激脉冲串(rTMS)单刺激能够使神经元去极化从而诱发适当的作用效果刺激串rTMS)能够修饰刺激位点上脑皮层的兴奋性和
沿功能性解剖连接的远隔部位[2]TMS帮助我们对于一些潜在的神经病和神经紊乱的神经环路病理提供新的认识TMS能够发展为临床有效诊断和病
兆检验的工具也能够对大量的神经性疾病进行有效的治疗如帕金森症
神经性疼痛癫痫抑郁症精神分裂症等这种潜能已被现有的研究所证
实[35]
然而高频强磁场对人体有害已形成共识可引起中枢神经和植物神经机能障碍因此磁疗过程中我们必须考虑磁场的剂量及其安全性磁场的剂量主要包括磁场强度磁场梯度磁场场型治疗时间作用体积其中以磁
场强度最为重要磁疗剂量与疗效有直接关系剂量太小时不足以产生生物效应剂量过大又容易产生副作用从目前研究来看采用的场强从0.5mT
4T不等大多在15500mT间作用时间以每日1030min为多除了剂
量外脉冲磁场频率也直接影响其生物效应且存在一个有效窗口问题
1.2海马及其学习记忆功能的研究进展
与新皮层不同海马与其附近的齿状回是古皮层仅有3层细胞结构
即分子层锥体细胞层和多形细胞层分子层主要由来自内嗅区的纤维和锥体细胞尖端树突的分支所组成其间散在着一些颗粒状的中间神经元在分子层和锥体细胞层之间还分布两个神经纤维层即放射层和空隙层在多形细胞层之外还有一个白质层紧贴脑室膜之下称为室床主要由海马的传入和传出纤维组成空隙层放射层和室床都由神经纤维组成没有神经细胞
故不能称为海马的细胞结构层根据海马的组织结构特点又可将之分为4
个区域CA1,CA2,CA3和CA4.CA1和CA2位于海马背侧CA3和CA4位于海马腹侧海马及与其附近的齿状回下脚胼胝上回和束状回形成一个结构和功能的整体合称海马结构海马结构通过穹窿海马伞和返回通路与隔区内嗅区和下丘脑的乳头体发生直接的纤维联系海马结构的齿状回直接通过由内嗅区皮层发出的穿通回路(Perforant path)接受杏仁核其他
边缘皮层和新皮层发出的神经信息接受这些脑结构的神经信息之后齿状回发出纤维止于CA3和CA4.区再由CA3和CA4.神经元的轴突发出侧支
(Schaffer collateral fiber)止于海马CA1和CA2区虽然穹窿主要由海马结构的传出纤维组成但其中也含有以内侧隔核来的胆碱能传入纤维以及从脑干发出的5-HT能神经纤维和去甲肾上腺素能神经纤维海马结构的主要传
出纤维从CA1和CA2区发出经穹窿达下丘脑乳头体丘脑前核和外侧隔
核CA1和CA2区的传出纤维也止于下脚在海马结构的这些联系中绝
大数突触以氨基酸类物质作为神经递质特别是谷氨酸和γ-氨基丁酸
GABA为主
海马体是长期记忆的过滤器迅息传递给海马体并暂时储存若海马体有所反应神经元就会形成持久的网络成为长期记忆依照各级牢固程度分别储存颞叶等组织里剩余锁碎记忆如一直得不到固化就会自动消逝无踪因此记忆系统可以分为两个海马记忆系统和新皮层记忆系统除此之外海马在辨别空间信息新异刺激抑制性调节中起重要作用
图1.1 海马网络结构
海马参与记忆的神经环路有帕帕兹环和三突触回路帕帕兹环是指海马穹窿乳头体乳头丘脑束丘脑前核扣带回海马它是边缘系统的
主要回路其中海马结构是中心环节三突触回路始于内嗅区皮层这里神经元轴突形成穿通回路止于齿状回颗粒细胞树突形成第一个突触联系
齿状回颗粒细胞的轴突形成苔状纤维与海马CA3区和锥体细胞的树突形成第二个突触联系CA3区锥体细胞轴突发出侧支与CA1区的锥体细胞发生
第3个突触联系再由CA1锥体细胞发出向内侧嗅区的联系这种3突触
回路是海马齿状回内嗅区与海马之间的联系具有特殊的机能特性成为支持长时记忆机制的证据
1.3 学习记忆的神经生物学基础
广义地说学习是发现或把握外界事物变化发展规律的过程也是经验获得和积累过程从行为水平上可将人和动物的学习概括为不同的学习模式包括联想学习非联想学习和印记式学习等许多模式这些不同模式的学习过程既有其共同性又有其各自的特点它们共同的脑机制可从3个层次上加以分析在整体水平上脑的定位论与等位论的对立统一在细胞水平上异源性突触易化是其共同的机制在分子水平上蛋白质的变构作用是其最基本的机制
学习的脑机制是个富有诱惑力的科学课题许多科学家从脑整体水平
细胞水平分子水平上做了大量研究归纳起来关于学习脑机制的理论应回答3个基本问题哪些脑结构参与学习这些脑结构是怎样建立突触联系
的学习过程中突触联系的物质基础是什么 [6]
条件反射建立的基础是条件刺激和非条件刺激在脑内引起的兴奋灶间形成了暂时联系当代神经科学认识到暂时联系的形成是神经元的普遍机能特性它的组织形态和生理学基础是大量异源性突触间的易化―异源性突
触易化现已公认经典条件反射建立的基础即暂时联系的接通是神经系统的普遍特性并不是大脑皮层的特殊功能简单运动条件反射最必要的中枢位于小脑简单空间辨别学习的中枢位于海马伴有植物性神经系统功能变化的快速条件反射形成的中枢位于杏仁核由此可见尽管暂时联系的形成是神经系统的普遍功能符合脑等位论思想但因学习类型和复杂程度不同完成学习过程的脑网络组成也就有所不同这又符合机能定位的思想
学习过程是脑的高级机能不是某一种特殊分子变化的结果而是有多种物质经过复杂的代谢环节参与学习过程当代积累的科学事实表明由几个亚单元组成的受体蛋白或酶蛋白可以同时接受条件刺激和非条件刺激的影响发生变构作用实现两种刺激间的联结所以蛋白分子的变构作用是学习记忆的基本机制只有中小分子的神经递质调质和激素的激发并与之结合受体蛋白或离子通道才会发生这类变构作用成为受环境制约的学习过程的物质基础在过去几年中神经生物学研究发现两大类受体蛋白分子即配体门控受体家族和G-蛋白相关的受体家族均是参与学习机制的
主要分子
记忆是人脑对过去经验中发生过的事物的反映是新获得行为的保持由于
记忆人才能保持过去的反映使当前的反映在以前反映的基础上进行使反映
更全面更深入也就是有了记忆人才能积累经验扩大经验人脑内的记忆过程按记忆时程分为两类即短时记忆和长时记忆“短期记忆”的机制是由于离子通道受影响使更多的钙离子进入神经末梢由此导致神经突触释放更多
的神经递质从而使反射加强强大和持续的刺激将导致能持续几周的长期记忆
形成强刺激可引起信使分子cAMP和蛋白激酶A水平增高这些信号到达细胞核引起突触蛋白质水平的变化一些蛋白增加了而另一些蛋白数量减少结
果是突触的体积变大使得突触功能持续增强与短期记忆不同的是长期记忆
需要生成新的蛋白质如果新蛋白的合成受阻长期记忆将会阻断而短期记忆
却无影响短期记忆与长期记忆均发生在突触部位而突触可塑性被认为是物质
基础
1.4神经电生理实验技术
细胞是动物和人体的基本组成单元细胞外围有一层薄膜彼此分离又互相联系细胞间与细胞内的通信依靠其膜上的离子通道来进行离子和离子通道是细胞兴奋性的基础亦即产生生物电现象的基础生物电信号通常是用电学或电子学方法进行测量形成了一门细胞电生理学用以揭示细胞的生理过程生物电信号有各种形状和大小然而提取和分析这些信号的一般处理过程与所有的信号却是相同的生物电信号的数据采集与处理系
统的结构如图1.2
图1.2 生物电信号数据采集与处理系统
生物电信号数据采集与处理系统工作原理为
1. 通过电极把生物电信号传入到数据采集处理系统中
2. 从电极得到的信号通常幅值都很小因而必须通过放大对于信号的
放大必须在尽可能靠近信号源的地方进行前置放大器的作用是防止信号的衰减
3. 生物电信号的采集过程中往往会掺杂大量的噪声如系统内部的干
扰噪声而且通常生物电信号是低频信号为了减小混淆在采样之前常常要用一个低通滤波器对信号限带
4. 主放大器使滤波后的生物电信号幅度变大到数据采集处理系统能接
收到的范围
5. 工频干扰是生物电信号的主要干扰因而采用50Hz陷波进行滤波
6. 采样保持电路使得模拟生物电信号进行数模转换之前保持常值采样
过程中的采样参数包括采样频率采样分辨率采样时间生物电信号是低频信号其频率范围为0.05H z200Hz,由香农采样定理可知采样频率400
s
f≥Hz采样时间为采样周期的倒数采样分辨率由采样信号的精度决度
7. 计算机系统对采集得到的生物电信号进行储存分析处理以便了
解生物电信号的活动规律
1.5海马神经元自发放电活动规律
1. 自发放电模式
细胞外记录海马神经元自发放电模式通常有三种持续的爆发即短时间内快速发放几个锋电位(bursting)和一段时间的静息期交替出现连续发放的单个锋电位单个锋电位与爆发交替发放模式放电是由同一个神经元发放的模式放电模式则是由两个或两个以上的神经元构成的
图2.1 海马神经元细胞外记录基本放电模式
A. Single firing
B. Spike multiplets
C. Firing-bursting complex pattern
D. Rhythmic bursting
2. 神经元放电频率
所有记录细胞的平均放电频率是 6.32±1.01spikes/s(频率波动范围从0.3H z 28.2Hz,n=42),所有细胞的放电频率服从正态分布主要带宽集中在1
12Hz(76.12%,32/42),很小一部分分别分布在小于1Hz9.52%,4/42和大于
12Hz(14.28%,6/42)
图2.2 海马神经元放电服从正态分布
3. 神经元放电模式的变化
电生理实验过程中发现海马神经元自发放电模式发生转变主要有从单放转变为爆发式从单放-爆发式复合式放电转变为高频的突发性发放非节律模式转变为节律模式
图2.3 细胞单位发放模式转变
A神经元放电数增大和减少
B神经元放电数齿状变化
C爆发式放电转变为紧张性放电
4 讨论
如上所述从实验结果中我们可以发现海马神经元单位放电特征有单发放
反复单发放复合发放节律性和非节律性发放复合放电或单发放与海马θ节律存在密切的锁相关系并且是生理意义上的行为相关[7]当动物行走时所有记录到的单位发放修饰它们的放电模式同时增加放电频率放电信号幅度[8]感觉信息刺激能够诱发海马CA1区细胞的复合放电[9]由此可见海马可能是通过改变自身电活动以响应外界刺激使人和动物都能较好适应外界环境这其中包括对
新事物的学习和记忆
1.6本论文的工作和内容安排
为了研究高频弱磁场对海马神经元自发电活动及其对与海马组织相关的学习记忆功能的影响从细胞水平的生物电现象入手探求海马组织的生物磁效应定量分析生物磁效应及其磁强度依赖关系
论文的工作分为以下几个部分
1. 采用神经放电实验噪声和干扰的排除方法使得记录到的生物电信
号信噪比较好从而简化神经放电实验数据的提取另外介绍一些常用数据分析方法的算法原理便于我们更加深入地理解神经放电数据分析处理后的结果
2. 为了实现峰峰间期的自动测量运用3种滤波算法对神经放电信号中的干扰噪声进行了抑制为后期生物电信号数据分析处理带来了极大的方便
3.阐明一些神经放电串中所含信息的编码理论数据分析方法及相关事件数
据的分析通过这些方法对常见4种类型周期性放电不规则性放电整数倍放电阵发放电的峰峰间期进行分析了解4种类型神经元放电串间峰峰间期(ISI)的动力学特征
4采用500Hz3种场强梯度25Gs50Gs75Gs正弦脉冲磁场刺激海马组织观察刺激前后海马神经元放电频率放电特征的变化情况借肋神经放电串
常用分析方法进一步阐明高频弱磁场对海马神经元电活动的影响与其生物磁效
应
第2章海马神经放电实验材料与方法
2.1电生理实验中噪声和干扰的形成与消除
生物信号无论是自身产生的电活动还是受内外刺激而产生的电反应
均具有电压低一般是毫伏级或微伏级信号信号源内阻大则引导电流小
单位电位持续时间短重复频率低既有直流成份又有交流成份等特点作电理实验除了有一套电生理实验仪器并能熟练使用正确引导记录生物电方法保持生物器官或组织良好的机能状态外还必须排除一切干扰生物电信号的因素才能将如此微弱多变的生物电信号记录下来并分析研究电生理
实验噪声的来源主要有以下3个方面
1. 物理性干扰 1静电和电磁的干扰实验室附近高压电室内日光灯可
产生50Hz的静电干扰尤其是交流电尤其是50Hz频率干扰最大电子
设备为50Hz其特点是幅度大波形规则2噪声干扰电子元件本
身产生杂乱无章电压和电流称噪声一般与放大器内部元件的质量与性
能有关
2. 接地不良 1地线电阻应小2仪器故障产生漏电电流在地线上
形成电位差产生干扰3地线行走过程中打圈形成线圈易接受电
场和磁场的干扰4各仪器设备应采用一点接地的方式若采用多点接
地形成大地回路也会引起干扰5地线过长与电源线形成交流环路
6误用市电三孔中性线作为大地线中性线上有4-5A电流
3. 生理性干扰 1大脑电活动时眨眼眼球运动均对脑电具有干扰作用
2实验中环境温度过低动物寒战抖动引起肌电的发放而干扰记录
或因呼吸运动引起记录部位机械位移引起干扰信号3心电干扰频率
与心电一致
通常噪声的排除方法有
1. 物理性干扰 1屏蔽法用于低频电和静电干扰屏蔽线分布电容较大
线与线之间不可平行排列更不可为了美观而将多线扎在一起这会加
大分布电容易偶合高频干扰噪声2远离法3改变位置法依电
流方向相反产生反向磁场的原理改变各个仪器的位置或放大器输入
的方位会使干扰磁场抵消微电极放大器探头阻抗高易引入干扰
实验前可反复调整其方向和位置4微电极记录时尽量减少微电极本身
的阻抗减少输入阻抗及干扰信号在这个阻抗上形成干扰电压降微电
极到探头的连线<5cm5用监听器监听噪声以便及时排除
2. 仪器质量尽量改进
3. 接地不良地线应尽量短粗不能与电源线平行或打圈不要接在电源线
的中性线上地线单独埋设埋置处应较潮湿附近无大型变压电动机
并在坑内加些食盐
4. 检查各仪器是否漏电
5. 慢生物电变化时用乏极化电极实验对象宜安静勿受振动
2.2 神经放电实验试剂的配制
记录海马神经放电信号的电极内液为标准人工脑脊液ACSF配方为(mmol L)Nacl 124.0Kcl 3.3KH 2PO4 1.2NaHCO3 26.0CaCl2 2.5MgSO4 2.4
葡萄糖10.0
中效非去极化型肌肉松弛药维库溴铵俗称箭毒0.1mg/kg用于实验过程中动物制动10%葡萄糖0. 9%生理盐水维持动物正常生理代谢所需的能量补给所有溶液均用三蒸水配制
2.3 海马神经放电实验材料与方法
2.3.1 神经放电实验仪器
神经电生理实记录所用仪器
BL-420生物机能实验系统(成都泰盟科技有限公司)
动物手术器械包括手术剪手术刀手术镊玻璃分针止血钳咬骨钳
颅骨钻
立体定向仪(江湾I型C)
动物呼吸机HX-200(成都泰盟科技有限公司)
ME-100微电极放电器(成都泰盟科技有限公司)
玻璃微电极拉直仪(同济医科大学研制)
蓝星电脑蓝星公司
2.3.2 神经放电实验参数的设置
神经电生理实验参数的设置数据的采集和刺激的施加均通过BL-NewCentury 生物信号显示与处理软件来控制生物机能信号采集器的采集频率为20KHz增益是指生物机能实验系统的放大倍数生物机能信号一般而言均较微弱如果不经过放大我们将无法进行观察生物机能实验系统中的滤波是指高频滤波低通滤波它的作用是衰减生物信号中带入的高频噪声而让低频信号通过时间常数
是指低频滤波高通滤波它的作用是衰减生物信号中所带入的低频噪声而让高频信号通过根据实验室特定的物理环境增益设定为500滤波为1KHz时间常数为0.001s扫描速度调节器的功能是改变通道显示波形的扫描速度扫描速
度设为160.00ms/div
记录用玻璃微电极由1.4mm内径的玻璃毛坯管(南京六合)经玻璃微电极拉制仪一步拉制而成拉制温度为1500经拉直后玻璃微电极尖端直径为0.5m-1 m电极内液的充灌方法有管尖直接充灌法管体直接充灌法煮沸法预充灌法酒精法离心法游动细丝法玻璃纤维法如果电极内液的粘稠度不是
很高通常采用管体直接充灌法但当电极内液的粘稠度比较高如电极充灌0.5mol/L醋酸钠的2%滂胺天蓝溶液则采用预充灌法或煮沸法
动物呼吸机的参数设置为潮气量为60ml/kg,吸呼比为1:2,呼吸频率为80Hz 左右
2.3.3实验动物选取及处理
实验动物选取200g左右的雄性大鼠乌拉坦1g/kg腹腔注射麻醉后行气管插管术在立体定向仪江湾I型C上固定后进行开颅并掀开硬脑膜止血后敷一层温度适宜的石腊以保护脑组织实验过程中维持动物肛温在37左右
2.3.4 细胞外单位放电活动的引导
在腹腔注射肌松剂箭毒(0.1mg/kg)在人工呼吸下进行玻璃微电极记录电
极尖端直径为0.52m电阻为1525M电极充灌0.5mol/L醋酸钠的2%滂
胺天蓝溶液左右背侧海马电极尖端位置是A:2.5 3.0R:L 2.5 3.0H:2.5 3.5海马的单位放电活动分别经探头微电极放大器BL-420生物机能实验系统和计算机进行处理与显示同时采用生物电主放大器进行监听通过
BL-Newcentury软件实时记录存储生物电信号数据实验数据记录完毕后采用普鲁氏蓝法和滂胺天蓝法标记电极尖端位置组织块经石蜡切片后进行HE 染色来确定电极尖端的位置
2.3.5 神经放电实验数据的分析处理
实验资料经SPSS软件ISIAnalysis软件及Nex软件进行分析处理实验原始数据导入软件ISIAnalysis根据原始数据的统计特性恰当选用该软件提供的三种
算法导出处理后的数据即峰峰间期ISI然后根据数据处理的要求把峰峰间期
导入软件Nex进行处理分析实验数据用mea n SEM表示数据检验方法采用t 检验以P≧0.05作为显著性检验的标准
本文神经放电数据的处理分析方法主要为以下几种
1. 频率直方图Rate histogram的参数为
XMin时间轴的最小值单位sec
XMax时间轴的最大值单位sec
Bin –栅格大小单位sec
标准化单位直方图放电数/时间或计数/栅格
频率直方图rate histogram的算法为
时间轴被化分为若干个栅格第一个栅格为[XMin, XMin+Bin)第二个栅格
为[XMin+Bin, Xmin+Bin*2)
栅格计数(bin-count)= 时间标记timestamps[XMin+Bin*(n-1)Xmin+Bin*n)
的个数
2. 峰峰间期直方图ISI Histograms的参数为
Min Interval峰峰间期的最小值单位sec
Max Interval峰峰间期的最大值单位sec
Bin –栅格大小单位sec
标准化单位直方图计数/栅格放电数/时间或概率/时间
峰峰间期直方图ISI Histograms的算法为
时间轴被化分为若干个栅格第一个栅格为[IntMin, IntMin+Bin)第二个栅格为[IntMin+Bin, Intmin+Bin*2)
栅格计数(bin-count)= 峰峰间期ISI[XMin+Bin*(n-1)Xmin+Bin*n)的个
数
3. 峰峰间期时间散点图Interspike interval vs time的参数为
XMin时间轴的最小值单位sec
XMax时间轴的最大值单位sec
峰峰间期时间散点图Interspike interval vs time的算法为
任一个放电发生的时间为t[i]对应前一个放电发生的时间为t[i-1]因此平面上对应点的坐标为(t[i]t[i] - t[i-1])
4. 庞加莱图Poincare Maps的参数为
Min Interval峰峰间期的最小值单位sec
Max Interval峰峰间期的最大值单位sec
庞加莱图Poincare Maps的算法为
任一个放电发生的时间为t[i]平面上对应点的坐标为(t[i] - t[i-1], t[i-1] -
t[i-2])
这个点的横坐标为当前的峰峰间期纵坐标为前一个峰峰间期
5. 联合刺激直方图joint PSTH的参数为
XMin时间轴的最小值单位sec
XMax时间轴的最大值单位sec
Bin –栅格大小单位sec
Reference –参考神经元或参考事件
Bottom Neuron –沿横轴显示相关事件神经元