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在中枢神经系统中,乙酰胆碱（acetylcholine,ACh）作为一种神经递质或调质,在学习、记忆等大脑高级认知功能中,起着关键性作用。海马（hippocampus,HC）作为与学习、记忆功能密切相关的皮层下脑区,其乙酰胆碱主要来自于中隔（medial septum,MS）脑区向海马结构的胆碱能神经元。为了考察中隔-海马胆碱能投射对海马神经电活动的影响,本实验运用多通道在体记录技术,结合光遗传技术、脑区微量注射技术和电化学实时检测技术等研究手段,以胆碱乙酰转移酶-光敏感通道2（choline acetyltransferasechannelrhodopsin2,ChAT-ChR2）转基因小鼠为实验对象,重点研究中隔胆碱能神经元对海马CA1区节律性场电活动和神经元放电活动的调控作用和机制。将多通道在体记录技术和光遗传学技术相结合,首先对中隔胆碱能神经元的在体放电活动模式进行了鉴定。在20只ChAT-ChR2转基因小鼠的中隔脑区,一共记录到两类具有光刺激诱发动作电位跟随效应的神经元,提示它们为中隔的胆碱能神经元。其中一类胆碱能神经元（7个）的在体放电模式,表现出与行为状态的相关性。在海马场电位theta节律（4-12 Hz）占主导的清醒探索（active exploration,AE）及快速眼动睡眠（rapid eye movement,REM）状态,其平均放电频率分别为7.0±1.3 Hz和3.0±0.9 Hz,远高于非theta节律主导的慢波睡眠（slow-wave sleep,SWS）状态的0.5±0.8 Hz,差异极显著。并且,场电位theta频段能量越强时,此类胆碱能神经元的放电频率也相应越高。进一步的分析还显示,该类胆碱能神经元的放电活动与海马场电位theta节律间有较强的相干性（coherence）,但却无显著的相互格兰杰因果关系（Granger causality）影响。这一系列实验结果表明,此类中隔胆碱能神经元的在体放电活动,不仅具有行为状态相关性,而且还具有theta节律的正相关性,但并不参与theta节律的形成。另一类记录到的中隔胆碱能神经元（3个）,其在体放电模式也表现出一定的行为状态相关性,但最高平均放电频率则小于4 Hz,且在快速眼动睡眠时的放电频率高于清醒探索状态和慢波睡眠状态。为了进一步验证中隔胆碱能神经元放电活动,对海马乙酰胆碱含量水平的直接影响,在4只ChAT-ChR2转基因小鼠的海马CA1区锥体层,植入修饰了乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶的电化学电极,实时检测海马CA1脑区的乙酰胆碱浓度变化。检测结果显示,当动物处于清醒探索状态时,海马乙酰胆碱浓度明显升高;而当小鼠处于慢波睡眠时,海马乙酰胆碱浓度则较低。当用10 Hz蓝光激活ChATChR2转基因小鼠的中隔胆碱能神经元时,海马的乙酰胆碱浓度快速升高,并在光照期间维持在一稳定水平。以上观察结果说明,中隔-海马胆碱能投射直接调控海马脑区的乙酰胆碱含量水平。为了考察中隔-海马胆碱能投射对海马神经电活动的影响,在22只ChATChR2转基因小鼠海马和中隔脑区植入微电极阵列和光纤,并分别在清醒探索、快速眼动睡眠和慢波睡眠等不同行为状态下,用光刺激激活中隔的胆碱能神经元,同时观察海马CA1区场电位活动的变化情况。结果显示,在清醒探索和快速眼动睡眠状态,光激活中隔胆碱能神经元,对海马场电位theta节律及gamma节律（30-80Hz）均无明显影响;而在慢波睡眠状态,光激活中隔胆碱能神经元,则会抑制海马CA1区的ripple节律（100-250Hz）,抑制率为88±63%。这一实验结果表明,在慢波睡眠时期,光激活中隔胆碱能神经元,提高海马脑区的乙酰胆碱浓度,反而会阻断海马的ripple节律,从而影响记忆的巩固进程。为了深入探讨乙酰胆碱对海马ripple节律抑制作用的神经机制,对ChATChR2转基因实验小鼠,预先腹腔注射乙酰胆碱M型受体拮抗剂阿托品和N型受体拮抗剂美加明,然后再给予光刺激。结果显示,阿托品可阻断乙酰胆碱对海马ripple节律的抑制效应,而美加明则不能,说明该抑制效应由乙酰胆碱的M型受体介导。乙酰胆碱M型受体共有5种亚型,其中M1-M4在海马结构中有较广分布。通过进一步在海马CA1脑区分别微量注射M1-M4受体拮抗剂,证实是乙酰胆碱的M2与M4受体,参与介导了光激活中隔胆碱能神经元对海马ripple节律的抑制效应。进一步的研究还显示,在慢波睡眠阶段,光激活中隔胆碱能神经元不仅能抑制海马的ripple节律,对海马CA1区神经元活动,也有不同程度的影响作用。其中,对锥体细胞主要表现为抑制作用;而对中间神经元活动的影响则比较复杂:在记录到的与ripple节律相关的46个中间神经元中,42个中间神经元在光刺激期间呈现放电频率下降现象,并且这种抑制作用由M4受体介导;而在记录到的与theta节律有锁相关系的24个中间神经元中,锁相于theta节律波谷放电的中间神经元（13个）,其放电活动被抑制,而锁相于theta节律其它相位的11个中间神经元,其放电活动则表现为增强。综上所述,本实验将光遗传学技术和多通道在体记录技术相结合,通过在体、实时鉴别和记录中隔胆碱能神经元的在体放电活动,揭示中隔胆碱能神经元的在体放电模式具有行为状态的相关性,即清醒活动和快速眼动睡眠时相的高激活水平,以及慢波睡眠时相的低激活状态。中隔胆碱能神经元的这一在体活动模式,与海马脑区的乙酰胆碱含量水平变化规律相一致。进一步的研究还发现,在慢波睡眠时相,提高中隔胆碱能神经元的活动水平,可抑制海马脑区与记忆巩固相关的ripple节律,且该抑制效应可被乙酰胆碱M2和M4型受体阻断剂所分别阻断。同时,光激活中隔胆碱能神经元,也可实时调控海马CA1区某些锥体神经元和中间神经元的活动水平。这一系列研究结果提示,中隔-海马胆碱能投射通过调控海马的神经电活动水平,从而影响学习、记忆等高级认知功能。