脑光学成像对眼优势柱及其可塑性的研究进展
视觉发育的关键期,单眼视觉剥夺产生眼优势柱移动,其可塑性机制的认识目前尚不明确,有关研究将为弱视的康复奠定基础。脑光学成像为眼优势柱的功能解剖和电生理的深入研究提供了较为有效的方法。综述脑光学成像的方法,眼优势柱的可塑性,以及眼优势柱与方位优势柱的光学特征、相互关系等。
引言
弱视的康复已成为广泛关注的课题。目前认为,视觉剥夺导致视功能的改变发生在视皮质,取决于神经发育期神经元连接的活动依赖性重塑。采用内禀信号(intrinsic signal)对眼优势柱成像,处于视觉发育关键期的猫,在单眼遮盖24h后观察皮质反应的丢失,这种短期剥夺产生一种强而不饱和的眼优势柱移动。在发育期,对顺时针和逆时针纸风车结构的维持需要较大的相互作用范围和惊人的突触连接重塑。眼优势柱的功能和形态的可塑性研究的深入,需要借助和不断改进脑光学成像的方法。
1 脑光学成像的原理和方法
1.1 成像原理
在一定的刺激条件下,脑内神经元的兴奋可能引起以下变化:①引起神经元快速的神经活动,如释放递质、细胞间隙收缩或扩张、水分子转运等,并由此导致散射光的变化。②引起神经元代谢活动的骤增,继而使附近毛细血管中去氧血红蛋白含量升高。③接着又会引起局部血流的增加,局部毛细小血管中含氧血红蛋白含量升高。这3种生理过程,将会引起局部脑对特定波长光的吸收率发生变化。光散射成分与神经元活动关系密切,出现最快,而与脑微循环相关的其他成分则慢得多。利用上述与脑内神经元活动有关的光学变化,用电荷耦合器件摄像机便可将整片脑区中的兴奋区域和相对不兴奋区域记录下来,并用计算机图像处理技术区分出来,并显示在二维平面上。
1.2 技术方法
脑光学成像研究尚处在动物实验应用阶段。因为,无论是采用电压敏感性染料还是活性依赖的内禀信号进打脑光学成像,均受颅骨的限制。其主要成像条件为:实验对象的准备、视觉刺激器、显微镜、照相机、计算机及相应软件、显示器等。
动物准备:雪貂、幼猫、短尾猿猴等均有应用。在肌松麻醉和清醒状态下,采用立体定位仪固定、开颅,幼猫可保留完整硬脑膜,猴等动物的硬脑膜须打开,尝试不打开猴的硬脑膜未获成功;密封的不锈钢小房放置在暴露的皮质上以减少脑波动。
内禀信号的采集:慢扫描电子耦合器件照相机安置在小房上。照相机具有一前一后两个透镜,呈高采集能力和浅深度聚焦。采用8个方位
(0°,22.5°,45°,67.7°,90°,112.5°, 135°,157.5°)的移动光栅进行视觉刺激,每个刺激2s,3s内采集5 -10帧。光学成像的功能图基于内禀信号,显示上皮质层(50-600um)的结构信息。
资料处理:比较动物接受不同刺激时的皮质影像,形成功能图。校正不均匀照明效应和其他来自微血管的噪声干扰。这些图像中每一图像由动物观看空白屏幕时的“空白”影像分开,形成单刺激图。采用不同方位8个刺激,其向量从刺激到反应与每一个像素结合。每一像素的结果向量由其角度和放大形成特征,在未进行修饰下,采用这些值显示角度和角度放大图,随后显示方位优势角度以外的平均反应放大。
2 眼优势柱的脑光学成像特征及可塑性研究
在猫和猴视皮质发现,具有相同反应特性的细胞通常呈簇状聚集,形成柱或结节,常穿过整个皮质层,从软脑膜至白质。然而,在哺乳动物的所有皮质区,平行于皮质表面的功能
结节的精确结构仍未阐明。在短尾猿猴初级视皮质,精细的突触联系使得皮质细胞具有惊人的选择反应特性。单细胞可对不同类型的视觉刺激选择性地反应,如:已知方位的边界、特别的颜色、运动的特殊方向和视差。在猴的初级视皮质,已经阐明3类功能分离的视反应特性:①认识最多的是左和右眼输入的分离,这些分离的输入形成眼优势柱,是近于相互平行的400um厚片层状结构。②其次是同方位优势柱(带),每一柱内包含对给定方位刺激反应最大的细胞。③第3个亚系统包括对诸如颜色空间频率视刺激有选择性的神经元,这些细胞位于细胞色素氧化酶小斑。
眼优势柱的脑光学成像特征:在猴的初级规皮质已经阐明3类功能分离的视反应特性,认识最多的是左和右眼输入的分离,这些分离的输入形成眼优势柱,呈近于相互平行的400um厚片层状结构。视皮质同一片的眼优势图显示,片层状结构呈明暗相间的平行带,这些带分别与左眼和右眼眼优势相对应。
眼优势柱的可塑性研究:为检查不同皮层联系增强的初期变化,采用内禀信号对眼优势柱成像,研究5只处于视觉发育关键期的猫,在单眼遮盖24h后观察皮质反应的丢失。在单眼剥夺期终止后立即进行试验。这种短期剥夺产生一种强而不饱和的眼优势柱移动,使能够在可塑性出现时测量层间差异。在视觉剥夺动物的外颗粒层,清晰的眼优势柱向非剥夺眼移动是明显的,而在输入层(Ⅳ层)却不明显。
最大可塑性的皮质区,即双眼视的鞍状点,为类似眼优势柱的连接峰。这些双眼单视区在单眼剥夺后被认为由非剥夺眼接管,剥夺眼反应呈岛状集中在之前的眼优势柱峰周围。可塑性在颗粒层发起,并在上层放大,发育期的皮质和较为成熟的皮质的可塑性有同源性,单眼剥夺在外颗粒层发生明显变化而在Ⅳ层却无明显变化。这一观点与成人体部感觉皮质的外颗粒层可塑性观点一致。那么,如果Ⅳ层的变化不再是指导性或基本的,什么在Ⅳ层的可塑性上发挥作用?Ⅳ层的重塑或许需要籍以使更为高级的皮质回路进一步精细的基础。外颗粒层反应变化发生在Ⅳ层呈现可塑性之后,变化将是可逆的。针对外颗粒层重塑发生的可能机制,一种说法是,兴奋的水平连接的较长幅度的加强。Ⅳ层缺乏水平连接,水平连接传递细胞经典的接受野以外的次阈值兴奋,在缺乏强的垂直输入时会发生变化,能够向其目标传递高于阈值
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