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这篇文章报告了一项关于离体培养的皮层神经元网络中的整体可塑性的研究。主要作者来自意大利热那亚大学的生物物理和电子工程系神经工程和生物纳米技术小组。该研究发表于欧洲神经科学协会出版的杂志《欧洲神经科学期刊》。

研究背景及目的: 脑细胞在学习和记忆的过程中会发生长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)等突触可塑性变化,但大多数研究集中在单一突触或神经环路水平上,很少探究细胞集群整体神经网络的可塑性。本研究旨在通过在离体培养的大鼠胚胎皮层神经元网络中施加电刺激诱导可塑性改变,探究神经网络水平上的可塑性机制,从而揭示记忆形成的细胞机理。

研究流程及方法: 研究者利用了一种微电极阵列(MEA)技术,将离体培养的大鼠胚胎皮层神经元接种在一个由60个微电极组成的人工基底上。待细胞在体外培养3-5周后,网络开始自发放电并达到成熟。研究者施加一系列低频测试刺激脉冲记录网络的诱发放电活动作为基线,然后施加带有间歇性强刺激的刺激方案,观察诱发网络放电活动的可塑性变化。这些刺激包括: 1)简单的强刺激(tetanus); 2)将强刺激与1Hz的低频刺激同步施加的相位刺激(at-iso); 3)将强刺激与0.2Hz的低频刺激同步施加的相位刺激(at-in); 4)将强刺激与0.2Hz的低频刺激错开施加的失相刺激(at-out)。研究人员通过比较诱发放电活动(诱发后尖峰时间直方图PSTH的面积)在施加可塑性诱导刺激前后的差异,定量评估网络的可塑性变化。

主要结果: 1) 单一的高频强刺激几乎无法诱导网络整体诱发放电活动的可塑性改变。 2) 将高频强刺激与低频刺激相位同步的刺激(at-iso和at-in)则能够显著增强整个网络的诱发放电活动。其中at-in刺激产生的诱发活动增强幅度最大,且能够持续数小时甚至更长时间,体现出类似于长时程增强(LTP)的特征。 3) 将高频强刺激与低频刺激错开施加的失相刺激(at-out)则会导致部分神经网络诱发活动增强,部分则抑制。

结论和意义: 该研究首次系统地研究了离体培养的皮层神经元网络水平上的可塑性特性,发现了能够诱导类似于记忆相关LTP的神经网络动态可塑性现象。这为揭示记忆形成的神经元集群水平机制提供了实验证据,有助于从全局网络角度理解突触可塑性和记忆的计算影响。同时,该研究还开发出一种更加生理相关的刺激方案去诱导神经网络的动态可塑性变化。

研究亮点: 1) 首次系统研究神经元网络的动态可塑性,探索记忆形成的细胞基础。 2) 发现了一种可靠诱导类似LTP的神经网络级别增强效应的新型生理相关刺激方案。 3) 阐明了神经网络级别突触可塑性发生的部分机制。