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李松挺和周栋焯教授在PLOS Computational Biology发表关于神经元有效电导的正确测量与分析方法最新研究成果 Determination of effective synaptic conductances using somatic voltage clamp

To understand synaptic mechanisms underlying neuronal computations, a fundamental approach is to use voltage clamp to measure the dynamics of excitatory and inhibitory input conductances. Due to the space clamp effect, the measured conductance in general deviates from the local input conductance on the dendrites, hence its biological interpretation is questionable, as we demonstrate in this work. We further propose the concept of effective conductance that is proportional to the local input conductance on the dendrites and reflects directly the synaptic impact on spike generation, and develop a framework to determine the effective conductance reliably. Our work provides a biologically plausible metric for elucidating synaptic influence on neuronal computation under the constraint of the space clamp effect.

近日,上海交通大学自然科学研究院、数学科学学院李松挺、周栋焯及其合作者通过理论建模分析、数值计算模拟和生物实验验证的方法系统研究了如何有效测量神经元所接收的兴奋性和抑制性输入信号。其研究成果 Determination of effective synaptic conductances using somatic voltage clamp于2019年3月5号在计算生物学重要期刊PLOS Computational Biology在线发表,并被该期刊选为亮点文章。

大脑神经元网络中的单个神经元通常接收来自其它神经元的大量兴奋性和抑制性输入。为理解大脑功能背后的计算机制,一种基本的实验方法是测量特定神经元树突上所接收到的兴奋性和抑制性输入电导信号。然而,由于神经元空间钳效应(space clamp effect)的存在,如何准确且有效测量神经元的兴奋性和抑制性输入信号仍是实验神经科学所面临的一个难题。

为解决此问题,我们首先通过理论分析指出了传统的电压钳实验测量分析方法得到的电导信号的生物学解释是错误的,并且首次提出了等效电导的新概念来反映神经元树突输入信号对神经元动作电位产生和神经信息编码的影响,随后通过理论建模分析提出了一种准确测量等效电导的方法,并基于真实神经元几何形态和非线性离子通道动力学的仿真神经元模型对所提出的方法进行了验证。进一步通过生物实验针对小鼠大脑海马区的锥体神经元验证了我们的方法。我们的工作规避了传统方法所面临的空间钳效应的困难,为定量理解神经元树突输入信号对其计算功能的影响提供了新的生物学度量和相应的测量方法。

该工作的理论分析和数值模拟部分由李松挺、周栋焯及蔡申瓯教授完成,实验部分由北京师范大学章晓辉教授实验室完成。文章的第一作者是上海交通大学自然科学研究院、数学科学学院的李松挺教授,通讯作者为上海交通大学自然科学研究院及数学科学学院周栋焯教授和北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的章晓辉教授。该工作同时受到国家自然科学基金、纽约大学阿布扎比分校高性能计算中心等资助。

论文链接:

https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1006871