神经信息流与突触传递可塑性

长时程增强是突触可塑性的重要表现形式，其实验借助外部刺激作为诱导，有创伤性。神经振荡在认知活动中具有重要作用，因此，基于振荡频段的神经信息流与突触可塑性的相关性研究有待深入。我们发现并报道了CUS大鼠丘脑-前额叶皮层信息流方向指数与正常大鼠相比有显著改变，且与神经振荡的频段相关。因此，需要回答基于神经振荡生理频段的信息流指数能否有效地表征突触可塑性？以及如何诠释其分子机理？研究将结合神经生物学实验和非线性分析展开。实验包括in vivo和in vitro两个层面；计算分析包括基于多元统计的相关性分析、神经信息流方向指数算法改进和计算平台建立。通过研究发展信息流方向指数新算法、建立突触传递可塑性和信息流指数关于振荡频段的关联性、探讨突触可塑性和信息流指数关联性的分子机理、初步搭建基于EEG/LFP的突触可塑性计算平台。其结果可应用在临床认知功能评价、神经工程和康复等领域。

突触可塑性是学习记忆的细胞学基础。神经振荡与认知活动密切相关。然而，神经振荡与可塑性关系仍有待深入了解，其生物学机制需进一步厘清。.研究内容：.1.发展新的振荡同步分析算法；.2.基于各种模型动物，揭示神经振荡同步增强促进了脑区间信息通讯，且伴随可塑性增强；.3.对应的生物学机制研究。.研究结果：.算法改进- 改进的演化映射法-EMA和条件互信息法-CMI，以及排列互信息法-PMI均能有效度量PAC强度，其结果与传统算法相比具有更好的一致性；单一节律的同步性分析算法中，广泛应用的gPDC算法在真值估计和灵敏度变化评估等方面更优。.CUS模型鼠- LTP诱导引起CA1-mPFC通路Theta单向信息流和theta与低频gamma之间PAC的长时程增强，但CUS明显减弱此作用；Theta同步与突触可塑性在CA1→mPFC上具有显著正相关；一个theta周期包含了mPFC的6个gamma波，此PPC现象在CUS上消失，但经memantine处理，1:6的状态部分恢复；给予D1受体拮抗剂，CA1-mPFC间theta耦合明显抑制且与CUS类似；Gamma耦合在CUS时增强，与给予5-HT1A受体激动剂后的结果相似。.VD模型鼠- CA3-CA1通路的LTP明显减弱，在theta、alpha、beta与gamma频段上，脑区间同步性显著下降,且与LTP的变化呈正相关。在theta与gamma之间，H2S减缓了CA3-CA1的同步损伤，提高了受损的CA3-theta与CA1-gamma的PPC和PAC强度。Western结果指出，NaHS能缓建VD鼠海马内降低的NR2A的表达量。.Melamine模型鼠- 在CA3与CA1之间，theta和low-gamma上的同步显著降低；CMI和MI法结果指出，CA3-theta与CA1-low gamma之间的PAC明显减弱且与LTP变化正相关。.神经发育-成年大鼠CA1- mPFC信息传递更强；在CA1，θ-LG/θ-HG整合也更强。青春期振荡指标如单一节律和交叉节律同步与幼年和成年相比存在明显不对称，且与突触前后受体蛋白和细胞自噬水平的变化密切相关。.研究结论：.1.新的PAC算法能有效度量相位-幅值交叉节律耦合.2.在多个模型鼠不同神经回路上均证实神经振荡与可塑性为正相关.3.青春期大鼠海马神经振荡同步特征与其可塑性改变一致