鄒丹，吳敏范，金戈，符文雙，鄭燕

（沈陽醫(yī)學院1.病理生理學教研室；2.生理學教研室；3.機能實驗中心，4.2012級臨床醫(yī)學，沈陽110034）

大鼠海馬結(jié)構(gòu)CA1位置細胞對感覺錯配適應的相關(guān)反應

鄒丹1，吳敏范2，金戈1，符文雙3，鄭燕4

（沈陽醫(yī)學院1.病理生理學教研室；2.生理學教研室；3.機能實驗中心，4.2012級臨床醫(yī)學，沈陽110034）

目的觀察大鼠經(jīng)過學習其海馬結(jié)構(gòu)接受視覺-前庭-本體感覺錯配格局并將其視為匹配的狀態(tài)后CA1位置細胞的電活動，為揭示海馬結(jié)構(gòu)可編碼感覺輸入的任何組合提供依據(jù)。方法應用微電極細胞外記錄方法，記錄清醒大鼠在適應視覺-前庭-本體感覺錯配條件后海馬結(jié)構(gòu)CA1位置細胞神經(jīng)元放電情況。結(jié)果56個位置細胞中，29個神經(jīng)元在正向狀態(tài)中有顯著的空間放電（正向相關(guān)神經(jīng)元），19個神經(jīng)元在反向狀態(tài)中有顯著的空間放電（反向相關(guān)神經(jīng)元）。位置野內(nèi)放電頻率的分布呈現(xiàn)不對稱及負偏斜。結(jié)論大鼠海馬結(jié)構(gòu)位置細胞可編碼不能自然發(fā)生的新的感覺輸入配置，更新海馬結(jié)構(gòu)比較器內(nèi)的信息。

感覺錯配；海馬；位置細胞；神經(jīng)元放電

暈動病是感覺錯配引起機體功能紊亂的代表。藥理學及行為學研究表明：海馬結(jié)構(gòu)與嚙齒類動物的暈動病發(fā)生有關(guān)［1］，神經(jīng)不匹配信號可能產(chǎn)生于海馬結(jié)構(gòu)。我們以前研究表明［2］，在感覺錯配發(fā)生時海馬結(jié)構(gòu)的θ活動增強，反復暴露于此感覺沖突環(huán)境中5 d，θ活動逐漸降低，這表明通過學習海馬結(jié)構(gòu)可接受此種新的感覺配置并將其視為匹配的狀態(tài)，另有文獻報道：感覺錯配條件下的訓練可改善暈動病癥狀［3］。海馬結(jié)構(gòu)位置細胞的放電情況可反映海馬結(jié)構(gòu)在編碼新的感覺配置時的內(nèi)在活動，大鼠適應感覺錯配條件后，其海馬結(jié)構(gòu)CA1位置細胞的電活動尚未見報道。本研究擬用清醒大鼠在視覺-前庭感覺-本體感覺錯配環(huán)境適應后采用電生理方法記錄CA1位置細胞放電，探討海馬結(jié)構(gòu)編碼新的感覺配置輸入的機制，為海馬結(jié)構(gòu)參與暈動病的發(fā)生提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

Wistar大鼠，雄性10只，體質(zhì)量200～300 g，分籠飼養(yǎng)，自由攝食、飲水。

1.2 方法

1.2.1 手術(shù)：戊巴比妥鈉（40 mg/kg）腹腔麻醉，將牙托水泥帽安放在顱骨外表面，作為人造耳桿用于后續(xù)實驗時將清醒大鼠無痛的固定于立體定位儀上。經(jīng)過1周恢復，在正向條件下（視覺-前庭感覺-本體感覺正常配置）訓練大鼠2周。用鉆頭穿過牙

托水泥帽和其下面的顱骨（AP：-2.0～-4.0，LR：2.0～6.0）鉆一直徑為3～5 mm的圓孔，暴露腦組織，用無菌的特氟龍軟片覆蓋，外涂環(huán)氧樹脂膠封閉，以備神經(jīng)細胞記錄。

1.2.2 實驗裝置：將帶有透明塑料罩的立體定位裝置及一個小型動物跑步機安裝于一個可移動轉(zhuǎn)臺上。大鼠的頭部無痛的固定于可移動轉(zhuǎn)臺的立體定位架上，大鼠背部置于透明塑料罩內(nèi)，四肢在跑步機上行走。在正向?qū)φ諚l件下，可移動轉(zhuǎn)臺以20 cm/s的速度沿8字型軌道（包含路徑1和2）移動，大鼠在跑步機上的運動方向與可移動轉(zhuǎn)臺的運動方向一致。在反向條件下（即視覺-前庭感覺-本體感覺錯配時），可移動轉(zhuǎn)臺在運動前旋轉(zhuǎn)180°盡管大鼠在跑步機上向前跑，但就大鼠的運動方向而言，可移動轉(zhuǎn)臺是向后移動的，于是產(chǎn)生視覺-前庭感覺-本體感覺錯配的效果。整個實驗過程中跑步機運行速度與可移動轉(zhuǎn)臺移動速度（20 cm/s）相同。

1.2.3 神經(jīng)元記錄及神經(jīng)元單位的隔離：整個實驗包括3個時段［正向條件（正常感覺配置即對照）、反向條件（感覺錯配）、正向條件（正常感覺配置即對照）］。經(jīng)過連續(xù)5 d的EEG記錄，EEG電功率明顯下降后，從第6天開始，在海馬結(jié)構(gòu)CA1區(qū)記錄其神經(jīng)元的電活動。

玻璃隔離的鎢絲微電極（Z=1.0～1.5 MΩ，1 kHz）用立體定位的方式通過脈沖電動操縱器（SM-20，Narishige，日本）逐步插入大鼠海馬結(jié)構(gòu)CA1區(qū)的不同部位。神經(jīng)元電活動通過信號獲取處理器儲存在計算機中。數(shù)字化的神經(jīng)元活動使用Offline Sorter程序，通過它們的波形成分隔離成獨立的單位，然后將其導入NeuroExplorer程序中進一步分析。記錄大鼠海馬結(jié)構(gòu)CA1區(qū)神經(jīng)元在3個實驗時段的活動情況，每個實驗時段都從路徑1開始。

1.2.4 位置細胞的分類：當海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元在反向時段表現(xiàn)出位置野，且其放電率的峰值超過對照時段相應路徑的4倍，該神經(jīng)元定義為相關(guān)系數(shù)r無關(guān)的反向相關(guān)神經(jīng)元。當海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元表現(xiàn)的位置野至少出現(xiàn)在第1和/或第3正向時段，且該時段位置野的峰放電率是相應路徑反向時段的4倍以上，該神經(jīng)元叫做此路徑上相關(guān)系數(shù)r無關(guān)的正向相關(guān)神經(jīng)元。

如果在給定路徑（路徑1或2）第1和第3正向時段之間的Pearson′s相關(guān)系數(shù)r≥0.4，這種位置細胞對此路徑稱為經(jīng)驗-非依賴型正向相關(guān)神經(jīng)元。如果相關(guān)系數(shù)r沒有達到0.4，這些位置細胞對此路徑稱作經(jīng)驗-依賴型正向相關(guān)神經(jīng)元。

1.2.5 組織學：所有實驗結(jié)束時，每只大鼠用戊巴比妥鈉（50 mg/kg，i.p.）再次麻醉，在神經(jīng)元記錄的位置處進行電凝損毀（80 μA，60 s），切片、染色確定記錄位置。

1.3 統(tǒng)計學分析

英格曼神甫卻沒有生氣，好像他根本沒聽見法比的話。法比激動起來就當不了英文的家，發(fā)音語法都糟，確實也難懂。英格曼神甫可以選擇聽不懂他。

2 結(jié)果

記錄161個海馬結(jié)構(gòu)CA1神經(jīng)元電活動，其中位置細胞56個。每個神經(jīng)元記錄均經(jīng)歷正向（對照）、反向（感覺錯配）、再正向（對照）3種實驗時段，各實驗時段均包括3整圈（每圈包括路徑1和2）的可移動轉(zhuǎn)臺的運動。海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元鋒電位的疊加波形及鋒電位自相關(guān)圖分別顯示于圖1A和1B中。自相關(guān)圖表明：海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元的不應期為2～3 ms，其鋒電位的記錄來自于單一神經(jīng)元。

圖1 海馬結(jié)構(gòu)CA1區(qū)用于單一神經(jīng)元鑒定的細胞外記錄生理參數(shù)Fig.1 Identification of a single neuron in the HF CA1 subfield on the basis of extracellularly recorded physiological parameters

2.1 正向活動相關(guān)位置細胞

在路徑1，12個（21.4%）神經(jīng)元顯示第1及第3正向時段間有高相關(guān)系數(shù)的位置野，但在第2反向時段未顯示明顯位置野。在路徑2，17個（30.4%）神經(jīng)元顯示在第1及第3正向時段存在高相關(guān)系數(shù)的位置野，但在第2反向時段未顯示明顯位置野。29個神經(jīng)元第1與第3正向?qū)φ諘r段的平均相關(guān)系數(shù)（0.64±0.03）明顯高于第1正向與第2反向時段的平均相關(guān)系數(shù)（-0.001±0.05）差異有統(tǒng)計學意義，（P＜0.001，秩和檢驗）。

圖2顯示空間放電模式依賴于正向移動的海馬結(jié)構(gòu)位置細胞的典型位置野結(jié)構(gòu)。該神經(jīng)元顯示第1和第3正向?qū)φ諘r段在路徑1（r=0.76）和路徑2（r=0.83）存在穩(wěn)定的位置野。在第2反向時段的路徑1和2上，位置野放電率的峰值低于第1正向?qū)φ諘r段1/4，盡管在路徑1第1及第2時段存在高相關(guān)系數(shù)（r=0.58）。

圖2 正向相關(guān)位置細胞Fig.2 An example of a forward?related place?differential neuron

2.2 反向活動相關(guān)位置細胞

在路徑1，14個神經(jīng)元（25.0%）在第1和第3正向時段沒有顯示有意義的位置野，但位置野出現(xiàn)在反向時段。在路徑2，5個神經(jīng)元（8.9%）出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。圖3顯示位置細胞在反向時段的路徑2表現(xiàn)出位置野，第1和第2時段的位置野間存在低相關(guān)系數(shù)［r=-0.18（路徑2）］。

圖3 反向相關(guān)位置細胞Fig.3 An example of a backward?related place?differential neuron

兩種類型位置細胞位置野偏斜度分別是：正向相關(guān)（-0.66±0.08），反向相關(guān)（-0.50±0.07），（P＞0.05，t檢驗）。

3 討論

在當前的研究中，對大鼠海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元在正向（視覺-前庭-本體感覺正常配置）及反向（視覺-前庭-本體感覺錯配）條件下進行電生理記錄，部分位置細胞對正向及反向條件呈現(xiàn)特異性的空間放電形式。在此神經(jīng)元記錄以前，使用相同的裝置大

鼠經(jīng)歷同樣3個實驗時段充分訓練至少5 d，并記錄其海馬結(jié)構(gòu)θ節(jié)律，發(fā)現(xiàn)反向時段θ節(jié)律的活動逐漸降低到近似第1正向時段水平（2）。這表明大鼠能很好地適應感覺錯配的條件，本實驗記錄的神經(jīng)元不是錯配細胞，而是編碼新的感覺輸入配置的位置細胞，這些位置細胞在位置野呈現(xiàn)學習相關(guān)的變異特征。

位置野的分析表明：位置野是非對稱性的，位置野的偏斜度是負值，放電分布的形式與以前的研究報道相似［4］。在目前的研究中，即使在感覺配置沖突的條件下（即反向相關(guān)神經(jīng)元），這些非對稱的改變是與運動轉(zhuǎn)臺的移動方向一致的。這些結(jié)果表明：海馬結(jié)構(gòu)能編碼并預測將來的運動，即使這種運動在自然情況下不能發(fā)生。

當前的結(jié)果表明：正向相關(guān)、反向相關(guān)的位置細胞可能分別在正向及反向時段編碼會聚的感覺輸入配置（視覺流、前庭傳入、本體感覺或運動傳出“拷貝”）。Blair and Sharp觀察了在前庭線索與視覺流沖突條件下丘腦背側(cè)核頭-方向細胞的活動情況［5］。海馬結(jié)構(gòu)位置細胞的放電活動與頭-方向細胞密切相關(guān)［6］。頭-方向系統(tǒng)的功能之一可能是給海馬結(jié)構(gòu)的“認知地圖”定位［7］。神經(jīng)生理學的研究表明：在位置導航過程中，海馬結(jié)構(gòu)的位置細胞對遇到的各種信息呈現(xiàn)相應放電配置［8］。

在多數(shù)情況下，頭-方向細胞活動與前庭信息密切相關(guān)，對探測方位的神經(jīng)編碼關(guān)鍵依賴于前庭信息［9］。在當前的研究中，一些反向相關(guān)海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元在反向時段能編碼沖突的感覺/運動信息，前庭與視覺的信息不能與本體感覺（運動傳出“拷貝”）配。這些結(jié)果表明海馬結(jié)構(gòu)神經(jīng)元編碼會聚的感覺傳入配置，這里前庭信息是感覺輸入之一，但不是主要輸入。海馬結(jié)構(gòu)可能編碼感覺輸入的任何組合。

在當前的研究中，一些位置細胞在重復暴露于反向條件后可編碼這一條件的感覺信息。編碼新的沖突環(huán)境信息的新位置細胞的形成可能有助于更新海馬結(jié)構(gòu)內(nèi)儲存的記憶，使海馬比較器［10］能夠接受這種新環(huán)境作為與儲存信息的一種匹配。

當前的結(jié)果表明：海馬結(jié)構(gòu)位置細胞有能力編碼一個不能自然發(fā)生的新的感覺輸入配置，更新海馬結(jié)構(gòu)比較器內(nèi)的信息。

［1］Uno A，Takeda N，Horii A，et al.Effects of amygdala or hippocampus lesion on hypergravity-induced motion sickness in rats［J］.Acta Otolaryngol，2000，120（7）：860-865.

［2］Zou D，Aitake M，Hori E，et al.Rat hippocampal theta rhythm during sensory mismatch［J］.Hippocampus，2009，19（4）：350-359.

［3］Newman MC，McCarthy GW，Glaser ST，et al.Motion sickness adaptation to Coriolis-inducing head movements in a sustained G flight simulator［J］.Aviat Space Environ Med，2013，84（2）：104-109.

［4］Mizuseki K，Buzsaki G.Preconfigured，skewed distribution of firing rates in the hippocampus and entorhinal cortex［J］.Cell Rep，2013，4（5）：1010-1021.

［5］Blair HT，Sharp PE.Visual and vestibular influences on head-direction cells in the anterior thalamus of the rat［J］.Behav Neurosci，1996，110（4）：643-660.

［6］Jankowski MM，Ronnqvist KC，Tsanov M，et al.The anterior thalamus provides a subcortical circuit supporting memory and spatial navigation［J］.Front Syst Neurosci，2013，7，1-12.

［7］Gibson B，Butler WN，Taube JS.The head-direction signal is critical for navigation requiring a cognitive map but not for learning a spatial habit［J］.Curr Biol，2013，23（16）：1536-1540.

［8］Ho SA，Hori E，Kobayashi T，et al.Hippocampal place cell activity during chasing of a moving object associated with reward in rats［J］. Neuroscience，2008，157（1）：254-270.

［9］Clark BJ，Taube JS.Vestibular and attractor network basis of the head direction cell signal in subcortical circuits［J］.Front Neural Circuits，2012，6：7.

［10］Duncan K，Ketz N，Inati SJ，et al.Evidence for area CA1 as a match/mismatch detector：a high-resolution fMRI study of the human［J］.Hippocampus，2012，22（3），389-398.

（編輯 裘孝琦）

Relative Response ofHippocampalFormation CA1 Place Cellto the Adaptation ofSensory Mismatch in Rat

ZOUDan1，WUMin-fan2，JINGe1，F(xiàn)U Wen-shuang3，ZHENGYan4
（1.DepartmentofPathophysiology，Shenyang MedicalCollege，Shenyang 110034，China；2.DepartmentofPhysiology，Shenyang MedicalCollege，Shenyang 110034，China；3.Center of Functional Experiment，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；4.Grade 2012 Clinical Medicine，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China）

ObjectiveTo study the discharge change ofCA1 place cellsafterhippocampalformation（HF）accepting the visual-vestibular-proprioceptive mismatch configuration as a match by learning，which could provide new scientific experimental data for revealing the fact that HF may encode any combination ofsensory inputs.MethodsThe unitdischarge ofCA1 place cells were recorded in an awake ratby using extracellularmicroelectrode record and stereotaxic techniques afterthe ratadapted to sensory mismatch.ResultsOutof56 place cells，29 showed predominantspatial firings in the forward sessions（forward-related neuron），while 19 showed predominant spatial firings in the backward sessions（backward-related neuron）.Firing rate distributions in the place fields were negatively skewed and asymmetric.ConclusionHF place cells have the ability to encode a new configuration ofsensory inputwhich doesnotoccurnaturally to update information in the HF comparator.

sensory mismatch；hippocampus；place cell；neuron discharge

R338.8

A

0258-4646（2014）02-0146-04

教育部留學歸國人員科研啟動基金（2013-693）

鄒丹（1971-），女，副教授，博士.

E-mail：zoudan1166@hotmail.com

2013-11-18

網(wǎng)絡(luò)出版時間：