王 莉， 龔 玲， 張思南， 李 博， 劉 青， 徐富強，2*

(1.中國科學院 武漢物理與數(shù)學研究所， 波譜與原子分子物理國家重點實驗室，生物磁共振分析重點實驗室， 武漢 430071；2.武漢光電國家實驗室， 武漢 430074； 3.中國科學院大學， 北京 100049；4.武漢大學 生命科學學院， 武漢 430071)

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離心調(diào)控對嗅覺系統(tǒng)β振蕩同步性的影響

王 莉1，3， 龔 玲1，3， 張思南4， 李 博1，3， 劉 青1， 徐富強1，2*

(1.中國科學院 武漢物理與數(shù)學研究所， 波譜與原子分子物理國家重點實驗室，生物磁共振分析重點實驗室， 武漢 430071；2.武漢光電國家實驗室， 武漢 430074； 3.中國科學院大學， 北京 100049；4.武漢大學 生命科學學院， 武漢 430071)

通過戊巴比妥鈉麻醉和Go/No-go氣味辨別訓練改變清醒小鼠的腦狀態(tài)，探討離心調(diào)控對同側(cè)的嗅球和前梨狀皮層之間β振蕩同步性的影響. 研究結(jié)果表明：相對于清醒狀態(tài)，麻醉和訓練后自發(fā)β振蕩的同步性分別有所下降和上升；此外，麻醉后氣味誘發(fā)β振蕩的同步性有所下降，而訓練后氣味誘發(fā)β振蕩的同步性受到氣味意義的影響. 結(jié)果提示，離心纖維投射可以動態(tài)地調(diào)控嗅球和前梨狀皮層之間β振蕩的同步性，這對進一步認識大腦的功能活動有一定的幫助．

離心調(diào)控； 嗅球； 前梨狀皮層； β振蕩； 同步性

在嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)振蕩活動中，β振蕩(15～35 Hz)與嗅覺信息的處理有關[1-2]，因而受到廣泛的關注. 到目前為止，還不清楚β振蕩的具體產(chǎn)生機理，然而一種可能的模型是：嗅覺系統(tǒng)的β振蕩是由嗅球(olfactory bulb，OB)的僧帽細胞、顆粒細胞以及梨狀皮層(piriform cortex，PC)的錐體神經(jīng)元共同作用產(chǎn)生的[3]. 研究表明，OB和PC之間β振蕩的同步性很高[1]，這種高同步性依賴于OB與PC之間網(wǎng)絡的完整性[3-4]. 這支持β振蕩的產(chǎn)生需要OB與PC的共同參與. 此外有研究指出，β振蕩可以使包含遠隔腦區(qū)的網(wǎng)絡活動同步[5]，而同步化的神經(jīng)振蕩活動可以實現(xiàn)腦區(qū)之間的功能連接[6]. 這些結(jié)果表明，β振蕩可能是不同腦區(qū)之間聯(lián)系的功能紐帶，β振蕩的同步性可以用來反映遠隔腦區(qū)之間的連接情況．

來自高級中樞的離心纖維投射與嗅覺系統(tǒng)功能活動密切相關[7]，研究離心調(diào)控對大腦功能活動的影響具有重要意義. 離心纖維的調(diào)控作用在不同腦狀態(tài)下存在差異，總體來說，在清醒狀態(tài)下離心纖維持續(xù)發(fā)揮調(diào)控作用，注意、動機和學習經(jīng)驗等因素能通過改變離心纖維的調(diào)控作用來影響大腦活動[8]；而在麻醉狀態(tài)下離心纖維的調(diào)控作用被抑制[9]，此時大腦活動與清醒狀態(tài)下明顯不同. 因而可以用操縱腦狀態(tài)的方式來改變離心纖維的調(diào)控作用.

不同腦區(qū)之間可以通過離心調(diào)控相聯(lián)系，改變離心調(diào)控會引起腦區(qū)間連接的變化，如在不同麻醉深度下，兩側(cè)OB之間低頻振蕩(1～12 Hz)的同步性不同[10]. 然而離心纖維投射對遠隔腦區(qū)之間β振蕩同步性的影響還不清楚. 本研究通過改變清醒小鼠的腦狀態(tài)，探討離心調(diào)控對OB和前梨狀皮層(anterior PC，aPC)之間自發(fā)和氣味誘發(fā)β振蕩同步性的影響.

1材料與方法

用于本研究的C57BL/6小鼠(雄性，8～12周齡，11只)購于湖南斯萊克景達實驗動物有限公司. 所有的實驗操作均符合中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所動物倫理委員會的要求.

1.1動物手術

腹腔注射1%戊巴比妥鈉(80 mg/kg，Sigma公司)將小鼠麻醉后進行動物手術[10]. 將特氟龍絕緣的鎢絲電極(直徑約100 μm，A-M Systems公司)植入到OB(前囟-4.60 mm，旁開0.75 mm，深1.05 mm)和aPC (前囟-0.85 mm，旁開3.25 mm，深4.05 mm)處作為記錄電極，并在頂葉正中鉆入一顆螺絲用導線引導出來作為參考電極，電極用牙科水泥固定. 之后在水平7T磁共振成像儀(Bruker公司)上采用快速自旋回波的方法進行大腦的解剖成像，具體參數(shù)如下：重復激發(fā)時間=2 000 ms，回波時間=10 ms，回波數(shù)=4，矩陣大小=128×128，視野大小=1.92 cm×1.92 cm，平均次數(shù)=8. 磁共振成像的結(jié)果表明，記錄電極的尖端位置都在OB或aPC處(圖1 A，B). 最后將固定頭部用鐵片牢固地粘在小鼠的顱骨上. 待小鼠恢復1～2周后開始實驗．

A和B分別為OB和aPC處的記錄電極位置圖，標尺=1 mm. C為清醒小鼠的自發(fā)局部場電位信號，其中自上至下依次為OB的原始記錄信號(1～100 Hz)、OB的β頻段濾波信號(15～35 Hz)、aPC的原始記錄信號和aPC的β頻段濾波信號. D為清醒小鼠的氣味誘發(fā)局部場電位信號.圖1 記錄電極位置和局部場電位信號Fig.1 Examples of recording sites and local field potential signals

1.2電生理記錄

為了提高氣味刺激的重復性，所有實驗都在頭部固定的小鼠上進行. 分別在清醒、1%戊巴比妥鈉麻醉(80 mg/kg)和Go/No-go氣味辨別訓練(行為正確率 ≥ 90%)狀態(tài)下，同時記錄小鼠OB和aPC處的自發(fā)和氣味誘發(fā)局部場電位信號(圖1 C，D為清醒小鼠的自發(fā)和氣味誘發(fā)局部場電位信號). 實驗中所用的氣味是被空氣稀釋至5%的乙酸異戊酯和丁酮(均購自Sigma公司)，每次給氣時兩種氣味隨機給予，持續(xù)2 s，間隔30 s，殘留的氣味通過抽氣裝置排出. 記錄電極采集到的信號通過生物信號放大器(Dagan公司)放大2 000倍，并由數(shù)據(jù)采集卡micro-1401進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(采樣率2 000 Hz)后，存儲于電腦中．

1.3Go/No-go氣味辨別訓練

Go/No-go氣味辨別任務中每種氣味與不同的行為相聯(lián)系. 本研究中，渴水的小鼠在給予乙酸異戊酯(與獎勵聯(lián)系的氣味，S+)刺激時舔水管是正確的Go行為；丁酮(不與獎勵聯(lián)系的氣味，S-)刺激時不舔水管是正確的No-go行為. 正確的Go行為會使小鼠獲得適量的水作為獎勵. 頭部固定小鼠訓練的具體方法參考以往的研究[11]．

1.4數(shù)據(jù)處理

OB和aPC的局部場電位信號經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT大小為500)并濾波(15～35 Hz)后，進行同步性分析，分析過程用Spike2軟件完成[10]. 同步性衡量的是兩個信號在一定頻率范圍內(nèi)的相互依存關系，它不受信號絕對能量的影響. 同步性的數(shù)值在0-1之間，數(shù)值越大表示信號之間的頻率相似性和相位一致性越高. 在本研究中，氣味刺激開始前后各2 s的數(shù)據(jù)分別用來分析自發(fā)和氣味誘發(fā)活動的同步性，每種氣味刺激10次，取10次的記錄結(jié)果平均. 雙尾配對t-檢驗和圖表制作分別用SPSS13.0和Sigmaplot10.0軟件完成. 文中同步性為所有動物的平均值，用均值±標準誤表示，p< 0.05表明具有顯著差異.

2結(jié)果

2.1OB和aPC之間自發(fā)β振蕩的同步性受離心纖維的調(diào)控

為了顯示離心調(diào)控對OB和aPC之間自發(fā)β振蕩同步性的影響，分析了清醒小鼠OB和aPC之間自發(fā)β振蕩的同步性在麻醉后和訓練后的變化. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，麻醉后OB和aPC之間β振蕩的同步性較清醒狀態(tài)下有所下降(0.48 ± 0.01 & 0.52 ± 0.01，p< 0.05；圖2). 而訓練后OB和aPC之間β振蕩的同步性較清醒狀態(tài)下有所上升(0.55 ± 0.02 & 0.52 ± 0.01，p< 0.05；圖2)．

圖中柱狀圖表示OB和aPC之間β振蕩的平均同步性，n=11. * p < 0.05.圖2 離心調(diào)控對OB和aPC之間 自發(fā)β振蕩同步性的影響Fig.2 Effects of centrifugal modulation on the spontaneous β-band coherence between the OB and aPC

2.2OB和aPC之間氣味誘發(fā)β振蕩的同步性受離心纖維的調(diào)控

為了顯示離心調(diào)控對OB和aPC之間氣味誘發(fā)β振蕩同步性的影響，分析了清醒小鼠OB和aPC之間氣味誘發(fā)β振蕩的同步性在麻醉后和訓練后的變化. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，麻醉后氣味誘發(fā)β振蕩的同步性較清醒狀態(tài)下有所下降(乙酸異戊酯：0.54 ± 0.02 & 0.69 ± 0.02，p< 0.05；丁酮：0.55 ± 0.02 & 0.68 ± 0.02，p< 0.05；圖3A). 而訓練后氣味誘發(fā)β振蕩的同步性與清醒狀態(tài)下相比無明顯差異(乙酸異戊酯：0.72 ± 0.02 & 0.69 ± 0.02，p=0.30；丁酮：0.64 ± 0.02 & 0.68± 0.02，p=0.27；圖3A).

圖中柱狀圖表示OB和aPC之間β振蕩的平均同步性. A為不同腦狀態(tài)下氣味誘發(fā)β振蕩同步性的比較.B為不同氣味引起的β振蕩同步性的比較. n=11. *p < 0.05；n.s p≥ 0.05.圖3 離心調(diào)控對OB和aPC之間氣 味誘發(fā)β振蕩同步性的影響Fig.3 Effects of centrifugal modulation on the odor-induced β-band coherence between the OB and aPC

由于氣味的性質(zhì)和意義都可能影響大腦對氣味的響應，我們進一步比較所用的兩種氣味在不同腦狀態(tài)下引起的β振蕩的同步性. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乙酸異戊酯和丁酮引起的β振蕩的同步性在麻醉和清醒狀態(tài)下均無顯著差異(麻醉：0.54 ± 0.02 & 0.55 ± 0.02，p=0.89；清醒：0.69 ± 0.02 & 0.68 ± 0.02，p=0.76；圖3B). 而訓練后乙酸異戊酯(S+)引起的β振蕩的同步性明顯比丁酮(S-)引起的高(0.72 ± 0.02 & 0.64 ± 0.02，p< 0.05；圖3B)．

3討論

本研究通過改變清醒動物腦狀態(tài)的方式來調(diào)控離心纖維的作用，并探討離心調(diào)控對OB和aPC之間自發(fā)和氣味誘發(fā)β振蕩同步性的影響. 研究結(jié)果表明，不同腦狀態(tài)下OB和aPC之間β振蕩的同步性不同，離心投射能夠動態(tài)地調(diào)控遠隔腦區(qū)之間β振蕩的同步性．

有研究指出，離心調(diào)控對大腦的自發(fā)電活動有重要作用[12]. 本研究分析了離心調(diào)控對自發(fā)活動同步性的影響. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當清醒小鼠被麻醉后，OB和aPC之間自發(fā)β振蕩的同步性有所下降；而當小鼠被訓練后，自發(fā)β振蕩的同步性有所上升(圖2). 以上結(jié)果表明，OB和aPC之間β振蕩的同步性與離心調(diào)控變化的方向一致：即相對于清醒狀態(tài)，離心調(diào)控被抑制時(麻醉)，OB和aPC之間β振蕩的同步性降低；離心調(diào)控增加時(訓練)，OB和aPC之間β振蕩的同步性升高. 有研究指出，減弱離心纖維對OB的調(diào)控會引起OB和PC中β振蕩活動的減弱[4, 13]，這與我們的結(jié)果類似. 此外，我們的結(jié)果也支持β振蕩是個可塑性的網(wǎng)絡現(xiàn)象[4].

嗅覺系統(tǒng)的氣味誘發(fā)電活動不僅與感覺輸入有關，也受離心纖維的調(diào)控[14]. 本研究也分析了離心調(diào)控對氣味誘發(fā)活動同步性的影響. 我們發(fā)現(xiàn)當清醒小鼠被麻醉后，OB和aPC之間氣味誘發(fā)β振蕩的同步性明顯降低(圖3A). 這不僅是因為麻醉本身對神經(jīng)活動有影響，還可能因為OB和aPC受到離心纖維的調(diào)控，而離心調(diào)控在清醒狀態(tài)中發(fā)揮重要作用. 有研究發(fā)現(xiàn)，隨氣味刺激次數(shù)的增加，清醒動物嗅覺系統(tǒng)中的氣味誘發(fā)β振蕩活動逐漸增強，但麻醉動物并未表現(xiàn)該特性[1]. 這提示離心調(diào)控可能導致動物在清醒狀態(tài)下OB和aPC之間氣味誘發(fā)β振蕩的同步性相對于麻醉狀態(tài)下高. 此外還發(fā)現(xiàn)，訓練后乙酸異戊酯(S+)和丁酮(S-)引起的β振蕩的同步性與清醒狀態(tài)相比均無明顯變化(圖3A). 然而通過進一步比較乙酸異戊酯和丁酮在不同腦狀態(tài)下引起的β振蕩的同步性，發(fā)現(xiàn)這兩種氣味引起的β振蕩的同步性在清醒和麻醉狀態(tài)下均沒有顯著差別，但是訓練后明顯不同(圖3B). 這可能是由于訓練后這兩種氣味與不同的行為相聯(lián)系，被賦予了不同的意義. 與本結(jié)果類似的是，有研究表明，訓練后S+和S-引起aPC錐體細胞放電頻率的改變不同[15]. 此外還有研究指出，大腦皮層并不是被動的信息接收器，它可以通過離心纖維調(diào)控低級中樞(如OB)的功能活動[8]. 綜合所有研究結(jié)果，不同意義的氣味刺激時離心纖維的調(diào)控作用可能不同，因而訓練后不同意義的氣味刺激引起的β振蕩的同步性顯著不同.

離心投射是調(diào)控嗅覺系統(tǒng)功能活動的重要途徑，然而根據(jù)離心投射來源的不同，其調(diào)控作用也有差別，目前還不清楚嗅覺系統(tǒng)β振蕩與特定來源的離心纖維投射之間的關系. 有研究指出，來自基底前腦的膽堿能輸入具有調(diào)節(jié)動物氣味辨別能力的作用，且其對獎賞驅(qū)動的氣味辨別能力的影響與任務的難易程度有關[16]. 而β振蕩的強弱也與任務的難易程度有關[2]. 這提示，膽堿能系統(tǒng)的離心調(diào)控可能對β振蕩活動有影響. 此外，來自藍斑的去甲腎上腺素能以及來自中縫核的5-羥色胺能等系統(tǒng)與動物的某些嗅覺功能有關[17-18]，可能也對β振蕩具有調(diào)控作用. 將來可以結(jié)合電生理、藥理學、行為和微透析等方法深入研究β振蕩活動與不同來源的離心調(diào)控之間的關系，以進一步理解大腦的相關活動基礎．

致謝： 衷心感謝吳瑞琪和劉悅在實驗過程中的幫助！

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Influence of centrifugal modulation onβ-band coherence in olfactory system

WANG Li1，3， GONG Ling1，3， ZHANG Sinan4， LI Bo1，3， LIU Qing1， XU Fuqiang1，2

(1.Key Laboratory of Magnetic Resonance in Biological Systems， State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics，Wuhan Institute of Physics and Mathematics， the Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071;2.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， Wuhan 430074;3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049 ;4.College of Life Sciences， Wuhan University， Wuhan 430071)

Among the various cortical rhythms，βoscillations(15-35Hz) reflect connections of a larger-scale network. The functional connectivity of two brain areas could be modulated by centrifugal projection. However， the influence of centrifugal modulation on theβ-band coherence among different brain areas is still unclear. In this study， the brain states of awake mice were altered by anesthetizing and Go/No-go behavioral training， and the influence of centrifugal modulation on the coherence forβoscillations between the ipsilateral olfactory bulb and anterior piriform cortex were analyzed. Our results demonstrate that， compared with the awake mice， the spontaneousβ-band coherence goes down in the anesthetized ones， yet goes up in the trained ones. Besides， the odor-inducedβ-band coherence goes down in the anesthetized ones， yet dependent on odor values in the trained ones. These data suggest that theβ-band coherence between the olfactory bulb and anterior piriform cortex could be dynamically modulated by centrifugal projection. This may help in further study on the brain function．

centrifugal modulation； olfactory bulb； anterior piriform cortex；βoscillations； coherence

2014-03-18.

國家自然科學基金項目(91132307;31100799;20921004)；科技部支撐計劃項目(2012BAI23B02)；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDB02050005)．

1000-1190(2014)04-0554-05

Q4；Q189

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: fuqiang.xu@wipm.ac.cn.