脑神经化学活体原位电化学分析研究进展

脑科学已经成为多学科交叉研究的前沿领域之一,其中脑神经化学的研究由于能够揭示脑活动和脑疾病过程中的物质基础,在神经科学和化学等领域引起了高度关注。电化学分析方法具有高灵敏度、高时空分辨、电极/溶液界面可设计等特点,尤其适用于在活体动物层次开展脑神经化学的分析研究。本文围绕活体原位电化学分析方法的原理和特点,综述了近年来电化学分析方法在脑神经化学研究中的应用,并对其未来的发展前景进行了展望。

基于光电传感的小动物主动运动行为评价及运动动机的神经机制研究

目的:构建小鼠主动运动行为量化评价系统,为运动与主动健康机制研究、慢病运动干预搭建平台,并通过在体实时采集主动运动不同阶段的脑电信号,探讨运动动机的神经调控机制。方法:1)构建基于光电传感的主动运动多模态系统(voluntary exercise multimodal system, VEMS),包括基于霍尔传感电信号的运动行为采集系统和基于机器视觉的运动轨迹分析系统;2)以C57BL/6小鼠为研究对象,应用VEMS系统记录小鼠主动运动行为并进行量化分析;3)结合在体多通道电生理记录技术采集小鼠主动运动不同阶段中脑腹侧被盖区(ventral tegmental area,VTA)神经元电活动,分析运动动机的神经编码特征。结果:1)VEMS系统可实现小鼠运动节律、运动距离、运动圈数、运动速度、运动时长和运动频次等行为数据的采集及量化分析;2)小鼠日运动时间主要集中在19:00—次日7:00,表现出较强的夜行节律,日运动距离最多可达15 km。每小时最大运动量出现在夜间1:00—2:00,运动圈数为0圈/10 min~170圈/10 min,每小时最大运动频次为23次,速度区间分布在0~12 m/min;3)在运动准备期、运动期及运动停止期,VTA神经元表现出不同的局部场单位(local field potentials,LFPs)特征信号,与运动停止期相比,运动准备期和运动期LFPs信号的θ频段(4~8 Hz)功率谱密度显著升高(P<0.001),且振荡显著增强(P<0.001);4)研究记录到59个对运动特异性响应的多巴胺(dopamine,DA)神经元,平均放电频率为(5.01±0.89) Hz,其中21%的DA神经元(Type-Ⅰ)在运动准备期高频放电,42%的DA神经元(Type-Ⅱ)在运动期有较强放电活动,37%(Type-Ⅲ)在运动停止后放电活动增多(P<0.001)。结论:1)本研究首次创建了VEMS系统,该系统能够对小鼠的主动运动行为进行多维度采集与量化评价分析,不仅为后期精准运动处方制定提供参考模型,还为运动神经科学的研究提供在体实时脑信号采集平台;2)小鼠主动运动行为受到VTA神经元特异性调节,DA神经元在运动准备期、运动期、运动停止期发挥不同作用。Type-Ⅰ和Type-Ⅲ神经元分别在运动准备期和运动停止期双向正反编码,即Type-Ⅰ神经元对奖励性正面信号表现出放电增强,而Type-Ⅲ神经元在运动停止时表现出特异放电。

原电池型氧化还原电位分析法

提出和发展分析化学原理和方法,在整体动物层次实现对脑内神经化学分子的活体实时原位检测,对揭示脑功能及脑疾病的分子机制具有重要意义.电化学方法由于可以实现高的时空分辨率、选择性和灵敏度,在脑化学检测较早得到了关注,并展示出良好的应用前景.然而,随着研究的不断深入,脑神经科学的发展对活体电化学分析的神经元兼容性提出更高的要求,传统基于电解池原理的电化学分析方法由于在测量过程中需要施加极化电压并产生电流,不仅可能会对神经元活动造成影响,而且也会导致其难以与电生理技术联用.针对这一方法学的挑战,近些年来本课题组提出了原电池型氧化还原电位分析法,通过构筑自发的电化学氧化还原过程,并以开路电位作为记录方式实现对电活性神经化学物质的定量分析.该方法具有神经元兼容等优势并对其他电学信号记录无干扰,在脑神经过程研究中具有重要应用价值.本文对原电池型氧化还原电位分析法的提出、方法原理、分析性能和应用等方面进行综述,并对该方法未来的研究重点和发展方向做出了展望.

维生素C在脑病理损伤模型中变化规律的研究进展

维生素C是生命体内不可或缺的水溶性维生素,因其具有防治坏血病的作用,故又被称为抗坏血酸(ascorbic acid,AA).在脑神经系统中,AA是重要的小分子化学物质之一,其作为抗氧化剂和神经调质,在脑神经生理与病理过程中发挥着重要的作用.尽管人们在很早即开展了AA脑神经生理和病理作用的探索,但是其神经化学机制,尤其是在脑损伤过程的变化规律,仍需进一步研究.在生理溶液中,AA易被化学氧化,故不稳定.这一特点也决定了传统分析化学方法难以实现脑内AA的准确测定.这一检测方法的困难极大限制了AA神经化学机制的研究.因此,建立和发展具有时空分辨、高灵敏、高选择的分析化学原理和方法,实现活体层次AA的传感分析,无疑会大大推动AA神经化学机制的研究.针对AA活体分析中存在的挑战,利用电化学原理,本课题组已经发展了基于微透析技术的活体在线电化学方法和活体原位电化学传感方法等,实现了一些生理病理过程中AA变化规律的研究.本文将主要围绕本课题组近些年来在这一方面的研究展开综述.