刺激模式对视网膜网络连接及信息编码方式的影响

Vision is crutial for humans and other primates, and it is one of the most important ways to get information from the environment. How the visual system effectively encodes the visual environment is one of the impormant issues of neuroscience reseraches. Retina is the first stage for visual neural information processing. Although retinal neurons are niced layed according to the cells' morphological and functional classification, the retinal neurons are with very complicated neural network, the connectivity and efficiency for information transmission among the neurons are adjustable under various visual conditions. Ganglion cells are the only output neurons of retina, and they show various firing pattens under different visual stimulation conditions. Researchs show that retinal ganglion cells can encode external stimulation via various coding strategies, including rate coding, precise time coding and population coding, etc. Thus, it is intriguing to ask the following questions: (1) how is the retinal neuronal network dynamically adjusted in response to differnet visual stimulation? and (2) what is the relationship between the visual stimulation and the neuronal coding strategy? Based on electrophysiological and pharmacological experiments performed on retina, in combining with information theory, the present study will be examining the relationship among stimulation pattern, retinal network connectivity and coding strategy of retinal neurons, and explore relevant physiological functional significance.

视觉是人类和高等动物认识客观世界的主要方式之一。视觉系统如何有效地编码丰富多彩的视觉场景长久以来是神经科学研究关注的问题之一。视网膜是视觉神经信息处理的第一环节。虽然视网膜中神经元根据形态和功能有着明显的分层结构，但是神经元之间的网络连接十分复杂，并且神经元之间的连接强度及信息传递效率也会随视觉条件而变化。神经节细胞是视网膜唯一的输出神经元，在不同视觉刺激条件下会表现不同的放电活动模式。研究表明神经节细胞可以利用多种编码方式，包括频率编码、时间结构编码以及协同编码等，有效地编码外界刺激。那么，视网膜神经元间的网络连接如何在应对视觉刺激时实现动态调节，神经元编码方式与视觉刺激模式之间又存在怎样的联系？本课题将以视网膜电生理及药理实验为基础，结合信息论方法，考察刺激模式与视网膜网络连接以及神经元编码方式的关系，并探讨其生理意义。

视觉是人类和高等动物认识客观世界的主要方式之一。视觉系统如何有效地编码丰富多彩的视觉场景，长久以来是神经科学研究关注的重要问题之一。视网膜是视觉神经信息处理的第一环节。本课题以视网膜电生理及药理实验为基础，结合信息论方法，考察刺激模式与视网膜网络连接以及神经元编码方式的关系。.研究发现：1.视网膜给光通路和撤光通路在结构和功能上存在不对称性，并且不是完全独立的。给光通路的活动对撤光通路的振荡活动有调控作用，这样的调控作用可能由两条通路间由无长突细胞介导的抑制性侧向通路实现。2.视网膜神经节细胞上存在一种特殊的ON反应模式。其与传统的瞬时型反应以及持续型反应均存在着明显的差异。结果提示，双峰反应可能来源于不同的视网膜回路，并且都参与到了对刺激信息的编码中，提高了对外界刺激的编码效率。3.结合与临床问题相关联的基础研究，研究了视神经损伤对小鼠视网膜神经节细胞的影响。研究表明，撤光中心型细胞在对光反应、感受野和刺激识别能力上的退化均早于给光中心型细胞；而相应地，给光-撤光型细胞中的撤光通路的功能退化也先于给光通路的功能退化。这些结果和我们之前对给光和撤光通路的生理功能研究相对应，表明这两个通路在对病理刺激应答上的差异性。4.在小鼠视网膜上的实验发现，在持续刺激作用下，一部分神经节细胞的反应敏感性会有所降低，反映了对刺激的适应。这种适应的好处在于当细胞暴露于强刺激之下的时候避免信号饱和。但另一方面，另一部分细胞的反应敏感性在持续的刺激作用下却不降反升，这种敏化的好处在于可以使细胞保持对微弱刺激的灵敏反应。这两种细胞分别对应于撤光中心型和给光中心型。而这种适应和敏化的协同发生，可能有助于视网膜神经节细胞扩大其对视觉信号的动态编码范围。.这些结果对认识视网膜视觉信息处理原理提供新的见解，也为临床上对视神经损伤或青光眼的视觉丢失机制的认识提供一些认识。