(一)视网膜神经信息处理

视觉信号的初级处理发生在视网膜。视觉信号在光感受器细胞上形成输入,并被转换成电信号,经视网膜神经元回路传递至输出神经元——神经节细胞,形成动作电位,然后通过视神经进一步向视中枢传递。视网膜因其解剖结构和功能特性研究得比较透彻,且刺激输入相对容易定义而相应的神经元反应也比较容易记录,一直备受神经科学家的青睐。我们实验室的研究工作主要分两方面,一是把视网膜作为神经系统的一个标本来研究神经元突触间信息传递的机制及调控过程;二是对视觉神经信息编码理论的研究,即考察视网膜神经节细胞如何通过群体活动的时间和空间模式有效地对视觉信息进行编码和传递的。

研究方向

1. 视网膜信息编码特性

2. 视网膜水平细胞活动特性

3. 离子通道、神经细胞、神经网络模型

视网膜结构及信息编码特性

视觉信息的初级处理发生在视网膜。视神经在解剖上的瓶颈结构决定了视网膜的主要功能之一就是将外界视觉进行高度压缩处理。神经节细胞进行信息压缩的主要方式包括适应和群体活动编码等。我们研究的目的就是要了解视网膜是如何通过这些方式有效地对视觉信息进行处理和编码。

研究的主要问题

1.视觉适应过程中所传递的信息量是如何变化的。

2. 神经元群体活动在视觉信息编码中的作用。

3.神经通路结构对神经元反应特性的影响。

4.如何建立有效的基于多维数据处理的算法。

……

视觉系统及视网膜结构 实验系统及标本 动作电位检测和分离 常用视觉刺激模式

 

协同活动

协同放电活动广泛存在于视觉系统中。协同放电不仅参与了信息编码,还对提高信息传递的效率也起了至关重要的作用。

协同活动模式 GABA能通路对协同活动的影响 协同活动的功能


适应过程

视觉系统会根据不同的光照环境,不断调节自身的敏感性,即表现出对光照环境的"适应"。视觉神经系统的适应性作为高效处理视觉信息的一种方式而被广泛研究。

常见的适应类型 对比度适应过程中感受野的变化 对比度适应过程同步化活动的变化 神经元的感受野与同步化活动的联系
 

信息编码

神经科学的一个基本问题是,怎样将神经元活动与行为相关的信息对应起来。当神经元把外界刺激转换成神经动作电位时,不仅仅是发生了能量形式的转换,更重要的是把刺激所包涵的外界环境变化的信息,也转移到了新的电信号系统即动作电位的序列之中,即产生编码(encoding)作用。这些编码后的电信号序列对中枢视觉系统辨识外界视觉信息有至关重要的作用。

参考文献

Pu-Ming Zhang, Jin-Yong Wu, Yi Zhou, Pei-Ji Liang, Jing-Qi Yuan. Spike sorting based on automatic template reconstruction with a partial solution to the overlapping problem (2004). Journal of Neuroscience Methods 135: 55-65.
Guang-Li Wang, Yi Zhou, Ai-Hua Chen, Pu-Ming Zhang, Pei-Ji Liang. A robust method for spike sortin with automatic overlap decomposition (2006). IEEE Transaction on Biomedical Engineering 53: 1195-1198.
Xue Liu, Yi Zhou, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Contribution of the GABAergic pathway(s) to the correlated activities of chicken retinal ganglion cells (2007). Brain Research 1177: 37-46.
Wei Jing, Wen-Zhong Liu, Xin-Wei Gong, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Influence of GABAergic inhibition on concerted activity between the ganglion cells (2010). Neuroreport 21: 797-801.
Wei Jing, Wen-Zhong Liu, Xin-Wei Gong, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Visual pattern recognition based on spatio-temporal patterns of retinal ganglion cells' activities (2010). Cognitive Neurodynamics 4: 179-188.
Ai-Hua Chen, Yi Zhou, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Luminance adaptation increased the contrast sensitivity of retinal ganglion cells (2005). Neuroreport 16: 371-375.
Hao Li, Wen-Zhong Liu, Pei-Ji Liang. Adaptation-dependent synchronous activity contributes to receptive field size change of bullfrog retinal ganglion cell (2012), Plos One, 7: e34336.Lei Xiao, Dan-Ke Zhang, Yuan-Qing Li, Pei-Ji Liang, Si Wu. Adaptive neural information processing with dynamical electrical synapses (2013), Frontiers in Computational Neuroscience 7: 36.
Lei Xiao, Ming-Sha Zhang, Da-Jun Xing, Pei-Ji Liang, Si Wu. Shifted encoding strategy in retinal luminance adaptation: from firing rate to neural correlation. Journal of Neurophysiology (under review).

视网膜水平细胞活动特性

水平细胞是视网膜的中间神经元,它接受光感受器的兴奋性递质谷氨酸的输入,释放γ-氨基丁酸。这些生理活动伴随着细胞膜上受体、转运体和各类离子通道的激活。钙离子是细胞内功能最广泛的第二信使之一,对胞内钙离子变化的研究是认识细胞功能的重要方面。我们使用荧光成像系统,结合全细胞膜片钳技术,研究视网膜神经元生理特征,进一步揭示水平细胞在视网膜神经信息处理中的贡献。

研究的主要问题

1. 水平细胞谷氨酸受体的类型、分布、调控以及对细胞活动的影响。

2. 水平细胞GABA转运体电流的调控。

3. 水平细胞上各种离子通道的类型、门控动力学、生理功能和调控特性。

4. 水平细胞胞内钙库的生理功能、钙库内钙离子的释放及重摄取机制。

5. 各种生理条件下膜电压和膜电流的变化及其机制。

……

膜片钳实验系统 荧光显微成像系统 实验标本

谷氨酸受体的类型、分布及调控

 

GABA转运体电流的调控   锌离子对内向整流钾通道的调控  

 

参考文献

Shi-Yong Huang, Pei-Ji Liang. Ca2+-permeable and Ca2+-impermeable AMPA receptors coexist on horizontal cells (2005). Neuroreport 16: 263-266.
Yan Sun, Ya-Ting Zhang, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. The mechanisms of Zn2+effects on Ca2+- permeable AMPA receptors on carp retinal horizontal cells (2010). Brain Research 1345: 103-109.
Xiao-Dong Jiang, Xu-Long Wang, Yan Sun, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. NMDA modulation of GABA transporter current in carp retinal horizontal cells (2008). Brain Research 1240: 105-110.
Xiao-Dong Jiang, Yan Sun, Xu-Long Wang, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Suppression of γ-aminobutyric acid transporter current by activation of ionotropic glutamate receptors on retinal horizontal cells (2009). Acta Physiologica
Sinica. 61(4): 299-304.
Ya-Ting Zhang, Yan Sun, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang. Modulation of extracellular Zn2+on inward- rectifying potassium channel expressed on H1 type horizontal cell in carp retina (2011). Acta Biophysica Sinica. 27: 617-626.

神经元建模

在神经科学的研究领域,计算神经科学扮演的作用越来越重要。在我们实验室,通过电生理实验记录方法,得到了大量的实验数据。除了用传统的数据处理和分析方法对数据进行信息提取外,还可以进行一系列的模型研究,为进一步的实验设计提供帮助。本实验室的模型研究工作主要是基于NEURON软件(图1)和电生理实验数据对视网膜的神经信息处理过程进行仿真。在神经科学与信息科学的交叉领域,通过基于生物物理机制的模型研究,不但可以深化对视觉信息处理机制的认知,而且将有助于机器人视觉系统等人工视觉系统功能的开发,在人工智能领域有很重要的应用价值。
我们通过对视网膜H1型水平细胞构造切合实际的离子通道模型,研究了H1型水平细胞上NMDA受体和GABA转运体电流在胞内钙离子浓度调节过程中所起到的作用,并结合电生理实验,做了相应的对比,见图2。关于H1型水平细胞模型的详细描述,可参见(Wang et al., Neuroreport. 2008)。
另外,我们基于对小鼠视网膜神经节细胞的多电极记录和相应的加药实验,初步构造了一个简化的视网膜网络模型。在合适的模型参数条件下,模型可以近似的重现加药前后单个神经节细胞放电模式的变化,并对可能的网络机制做了初步的推测,见图3。
我们将继续以多电极数据为基础,来考察视网膜神经节细胞的群体编码活动,并建立能准确描述这些群体活动的模型,来进一步阐明动态神经元群体活动在视觉信息加工和传递中的作用,为人工智能领域引入新型的计算模型和算法原理,提供重要启示。


(二)癫痫神经元网络信息处理

癫痫是仅次于脑血管病的第二大类中枢神经系统疾患。我国癫痫的患病率约为 3 ~ 7‰ ,而且每年新增约 30 万,给患者、家庭及社会造成了沉重的负担。目前仍有 30% 左右的患者通过常规的抗癫痫药治疗效果不理想,出现难以控制的反复癫痫发作,即临床上的难治性癫痫。我国的难治性癫痫患者估计有 200 万人,所以进一步加强难治性癫痫发生机制的研究并寻找新的治疗靶点和治疗方法具有重要的现实意义。

本课题组采用离体和在体多通道微电极记录技术,对小鼠海马切片及活体动物等多个层次的神经元网络电活动进行检测。结合电生理、药理实验和网络动力学等分析方法,考察癫痫形成期间海马及相关脑区的神经元个体及群体的电活动模式、不同区域神经元电活动的相关性及因果性的变化,探索从发作间期转迁到发作期的神经元网络电活动变化的特征、规律及其临床意义,考察抗癫痫药物等在模型动物癫痫发作前期的作用及其临床意义。本研究将医学问题和动力学计算方法紧密结合,将为颞叶癫痫的临床早期预防和诊治及研制新型抗癫痫药物提供生物学依据。

海马结构的癫痫样电活动

颞叶癫痫属于成人最常见的癫痫,至少占40%的病例。大量的临床观察和实验研究结果提示了海马在颞叶癫痫中的重要作用。我们研究的目的是要进一步了解海马产生的癫痫样放电的时空特性以及癫痫样放电的产生机制。探讨临床药物对癫痫放电作用的电生理机制,寻找潜在的治疗方向。

研究的主要问题

1.离体条件下诱发啮齿类动物海马产生的癫痫 样放电的基本特征及起源传播等时空特性。

2. 癫痫样放电的产生机制。

3.临床药物对癫痫样放电时空特性的影响及治疗的电生理机制。

4.寻找潜在的抗痫药物和治疗方向。

海马结构解剖 实验系统及标本 癫痫样放电的时空特性 临床药物等对癫痫样放电的影响

参考文献

Jian-Sheng Liu, Jing-Bo Li, Xin-Wei Gong, Hai-Qing Gong, Pu-Ming Zhang, Pei-Ji Liang, Qin-Chi Lu. Spatiotemporal dynamics of high-K+-induced epileptiform discharges in hippocampal slice and the effects of valproate (2013). Neuroscience Bulletin 29: 28–36.
Jing-Bo Li, Qin-Chi Lu, Xin-Wei Gong, Hai-Qing Gong, Pu-Ming Zhang, Pei-Ji Liang. The modulatory effects of exogenous Zn2+ on propagation and frequency of epileptiform discharges on rat hippocampal slices (2012). Acta Physiologica Sinica 28:119-130.
Fan Yang, Xin-Wei Gong, Hai-Qing Gong, Pu-Ming Zhang, Pei-Ji Liang, Qin-Chi Lu. Microelectrode array recordings of excitability of low Mg2+-induced acute hippocampal slices (2010), Neural Regeneration Research 5: 1548-1551.
Xin-Wei Gong, Fan Yang, Jian-Sheng Liu, Qin-Chi Lu, Hai-Qing Gong, Pei-Ji Liang, Pu-Ming Zhang. Investigation of the initiation site and propagation of epileptiform discharges in hippocampal slices using microelectrode array (2010). Progress in Biochemistry and Biophysics 37:1240-1247.
Jian-Sheng Liu, Xin-Wei Gong, Pu-Ming Zhang, Pei-Ji Liang, Qin-Chi Lu. Exploring spatiotemporal patterns of epileptiform discharge in hippocampal slice using multi-electrode arrays (2010). Acta Physiologica Sinica 62: 163-170.

癫痫形成和发展过程中大脑神经网络特性

研究的主要问题

1.癫痫形成和发展过程中海马、内嗅皮层、杏仁核、丘脑等关键脑区的神经元电活动特性。

2.癫痫形成和发展过程中不同脑区之间电活动的同步性及传播规律等时间和空间特性。

……

实验系统 动作电位 局部场电位 工作假设