前言:想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗?我们特意为您整理了5篇百科问答范文,相信会为您的写作带来帮助,发现更多的写作思路和灵感。
一提到科普读物,大家的脑海里首先想到的就是枯燥乏味,但我的这本《小谜语大百科》可完全不是这样。它是由一个个生动的故事组成,在每个故事里都会提出一个问题,而下面的百科知识则用浅显易懂的语言来告诉你答案及原因。
我从中学到了很多自然界中的各种知识:如马是怎样睡觉的?鸵鸟为什么不会飞?牛的嘴巴为什么总是嚼东西等等。其中,最让我着迷的故事是:谁是凶手?
故事中的小飞蛾在报上登了一则交友启事,第二天它就收到了来自猪笼草的回信,邀请它去森林见面,谁知小飞蛾却有去无回。接到报案的猫头鹰警长在猪笼草的叶子上找到了小飞蛾的半片翅膀,断定小飞蛾已经遇害。那么,究竟是谁杀害了它呢?凶手又是怎样害死它的呢?
看完故事下方的知识我才知道,原来,猪笼草就是凶手,它的叶子看起来像个瓶子,上面还有一个盖儿,它利用散发出香甜味的蜜汁把虫子吸引过来,它的叶子很光滑,小虫落在上面很容易跌倒,小飞蛾就是这样掉进“瓶子”里去的,这时,“瓶盖儿”会马上关闭,这样,关在“瓶子”里的小飞蛾就被消化液化成肉汁,成为猪笼草的美餐。
《小谜语大百科》这本书不仅让我看到了很多精彩的故事,更让我开阔了眼界,这些知识丰富了我的生活经验,让我不断地健康成长。我非常喜欢这本书,让我们一起进入这些自然界的奥秘中去吧!
活动背景:河北科技大学社团联合会作为一个以服务社团为主旨的学生组织,指导督促社团的成长,把握社团的成长方向,通过各种方式为各类社团搭建展示其特色的平台是校社联基本的工作。借社团活动月这一转化的关键,校社联通过组织活动的方式,为各类社团搭建一个展示自己的平台,使其能够展示自己的特色,活跃校园文化,为提高大学生的综合素质作出孝敬。
活动目的:为社团搭建展示自己的平台,让每个社团的特色都能在活动当中得到展示,让更多的学生了解社团,进修社团所关于的多方面常识。将进修寓于竞赛之中,展示黉舍社团风采,提高校园进修氛围,活跃校园文化生活。
目标公众:黉舍各社团成员河北科技大学各学院社团成员河北科技大学各班级非社团成员学生
活动时间
活动内部实质意义及规则:
1、河北科技大学社团联合会学研类社团各具特色,所研究范畴关于文学、法学、国学历史、心理学、礼仪、演说及论辩口才及时政等好些个方面,各社团按照自己所研究范畴设计不懂的题目,闯关者自选标题不懂的题目回答,每个社团自成一关。
二、各社团配合组成闯关阵地。闯关阵地设有入口以及出口,闯关者在入口处登记并领取记录表,闯关挨次由闯关者自己选择,一朝有一关闯关失败则闯关停止,到出口处核对最后闯关数量。
三、每闯过一关,由该关社团人员在记录表上做闯关成功记号,并赠与闯关者相关礼物,如闯关者失败,则在记录表上做闯关失败记号,最后在出口处核对最后闯过关数,闯关多者可获得特殊精美礼物。
4、全般闯关活动大约持续一个小时三十分钟。
活动现场布置及流程:
1、各社团依次排列围成椭圆形闯关阵地,在入口处设置拱门,上面书写本次活动名称;另外,在入口处设登记处负责闯关者的登记及发给记录表;在出口处设置闯关数量核对及奖品发给出,负责核对闯关记录发给奖品。
二、由主持人批注活动规则,并宣布活动开始。
三、闯关者在入口处登记、领取记录表,进入闯关阵地。
4、闯关者自主选择闯关挨次,逐次闯关。5、在出口核对闯关数量,领取奖品。活动外联:1、由校社联外联部统筹本次活动外联,联系商家赞助二、各社团外联部在校社联外联部领导下负责本社团外联工作。活动宣传计谋
媒介内部实质意义横幅悬挂于校园内对于活动主题的宣传海报关于活动内部实质意义、流程的宣传广播台关于活动内部实质意义、流程、进程的宣传音响现场播放音乐,吸引观众
活动实施步调及分工:
活动当天人员安排:
活动经费预算:
交互式电子白板具有诸多功能(如,牌照、放大镜、音响、填色等),其能够有效地增强语文课堂教学的视听效率,吸引学生的眼球,让学生的视野得到极大的刺激,从而彻底地激发学生的兴趣与积极性。比如,在《七颗钻石》一课的教学过程中,课文一开始就描述了地球上曾经所发生过的一次严重旱灾,植物干枯了、水流干涸了、人和动物也都焦渴而死。那么,为了让学生能够理解干枯、干涸、焦渴的含义,教师则应该在讲述课文的同时,通过交互式电子白板的利用将大量有关旱灾的图片展现给学生,通过图片,不仅有利于学生理解这些词语的意义,同时还能够让学生明白水的重要性。而这种直观性的教学,也能充分地调动学生的学习积极性,为下一步的教学打下坚实的基础。又如,在《松鼠》一课的教学过程中,教师可以通过交互式电子白板的应用,将Flash小游戏导入其中,以此来让学生认识大自然动物的过程更加具有直观性、趣味性。显然,这种寓教于乐的教学过程,必然将充分调动学生的学习积极性,从而为下一步深入地学习奠定坚实的基础。
二、利用交互式电子白板呈现教学资源
与其他教学软件不同,交互式电子白板具有一个实用性极强的资源共享平台。对于资源共享平台中丰富的资源,教师都能够方便快捷地调用,而与互联网的链接也能够实现对外部资源的调用。在小学语文教学过程中,通过交互式电子白板的应用,教师不仅能够对教学资源进行科学合理的归纳与梳理,将教学资源以多元化、可视化的形式呈现出来,同时还能够对教学资源进行二次加工与处理,让课堂教学的内容更具多变性、灵活性。相信,通过多种交互场景的创设,学生的学习积极性必然能够得到实质性提升。比如,在《坐井观天》一课的教学过程中,教师提前收集关于青蛙、井、大海、草原等相关的图片与视频资料,将这些资料在课堂教学过程中以交互式面板的演示功能直观呈现在学生面前。这样的直观性教学必然能够让学生直观、生动地理解“无边无际”“井沿”等词语的寓意。之后,教师再邀请学生自主进行实际的操作演示,让学生拖动交互式白板上的照片,以此来让学生进一步理解所学知识。显然,在这样的教学环境下,学生不仅会有形象的感知,同时还能够亲身参与到课堂教学之中,在掌握课堂教学内容的时候俨然会更加容易。
三、利用交互式电子白板创设教学情境
交互式电子白板,是一种将多媒体技术与传统“黑板”功能集于一身的现代教学工具。通过交互式电子白板的应用,不仅能够彻底解放教师,还能够进一步增加师生互动、生生互动的机会。同时,通过这种双向参与、交流、沟通的模式,不仅有利于师生之间、学生之间平等互助关系的构建,更能够让课堂充满活力。在这样的环境下,教学效果必然将得到实质性的提高。另外,通过交互式电子白板的应用,教学资源能够与现代网络技术实现有效的整合,从而为学生提供更多的资源信息。所以,对于教师来说,其可以在交互式电子白板现有资源的基础之上,创设出新的教学情境,让学生将自身所学的知识迁移到新问题之中。显然,这样的方法在实现教学开放性的同时,也能够培养学生的创造性思维,让学生对所学知识的灵活运用能力得到强化。比如,在《和时间赛跑》一课的教学中,教师可以让学生品析课文中的词句,感悟作者“紧紧抓住眼前的时间,和时间赛跑”的观念。那么,作者是怎样和时间赛跑的?教师应给予学生充分的时间朗读课文、感悟课文,并在有感悟的词语、句子下做好标记,然后给予学生展示的平台,让学生说出自身的感悟。然后,教师则可以通过交互式电子白板批注功能的应用来及时地得到学生的反馈信息,指导学生将自身的感悟带进课文的朗读之中,对课文进行有感情的朗读。显然,这样的学习方式能够提高课堂的效率,而交互式白板的应用也在阅读教学中提供了技术支撑,不断促进着生生之间、师生之间在课堂中的有效互动,建立与保证了以学生为主的课堂教学。
总之,对于小学语文教育而言,在如今这个信息化的时代中,交互式电子白板的应用已经成为激发学生求知欲望、提高教学质量的有效途径之一。只要教师能够充分地认识交互式电子白板,并在课堂教学中对其合理地利用。只有这样,交互式电子白板的功能才能得到最大化的发挥。
〔关键词〕社区问答;维基百科;特征扩展;短文本分类
〔中图分类号〕G254〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821(2013)10-0070-05
社区问答系统是一种基于Web的问答系统,如百度知道、yahoo! Answers等。作为一种具有开放性、交互性特点的知识共享模式,它能够更好的帮助人们利用互联网的资源来获取和分享信息。对用户提出的问题进行分类是社区问答系统服务的一个主要任务,将用户提问到合适的类别,可以方便其他用户发现和回答该提问,也有助于对系统积累的海量问答进行知识挖掘和兴趣推荐[1]。由于问题文本一般较短、特征稀疏,且中文文本特有的语言结构,所以传统的基于长文本的分类方法对于短文本并不能取得令人满意的效果。因此,研究中文短文本分类技术成为社区问答系统构建的一个关键问题。
短文本的长度通常小于160个字符,词汇个数少并且描述信息弱,具有稀疏性和不规范性,却隐含大量有价值的信息。目前,一些学者先后开始研究利用一些额外的信息来扩展文本特征辅助中文短文本分类。如王鹏[2]等利用依存关系对短文本进行特征扩充以实现有效的短文本分类。王细薇[3]等、曹叶盛[4]、Fan[5]等利用关联规则挖掘文本中词共现关系以构建特征共现集进行短文本特征扩展。宁亚辉[6]等提出借助知网对领域高频词进行特征扩展的短文本分类方法。王盛[7]等利用知网的上下位关系对短文本进行扩展。但是领域知识库一般由专家进行编撰,只包含小范围的领域和有限的主题,词汇可扩展性差且更新速度慢,难以满足社区问答系统中的问题分类的需求。范云杰[8]等利用维基百科对短文本进行特征扩展,其采用考虑概念类别因素基于tf-idf法计算概念间相关度。
为提高社区问答系统中的问题文类效果,本文研究将维基百科知识库引入到中文短文本分类过程中,提出一种基于特征扩展的中文短文本分类算法。本文利用维基百科所含有的类别、概念及其链接等信息,以词语间语义相关关系为基础对短文本特征词语进行语义特征扩展,以此提高特征词所描述概念的准确性、丰富语义表达,同时在一定程度上降低短文本特征稀疏对分类性能的影响。
1维基百科相关理论
维基百科作为一个以开放和用户协作编辑为特点的Web2.0知识系统,具有知识覆盖面广,结构化程度高,信息更新速度快等优点[9]。维基百科是一个以页面为单位组成的具有丰富链接结构的超文本文档集合,它主要包含以下重要元素:
1.1主题页面
主题页面作为维基百科中最基本、重要的元素,其含有惟一的ID标识用以描述一个单独的概念。概念是维基百科的基本单位,即指被解释的一个对象、事件或命名实体,如“情报”、“北京奥运会”、“姚明”等。
1.2类别体系
类别是维基百科中对概念页面信息进行组织的一种有效手段。每一个概念页面通常归属于一个类别或多个类别。如“文本挖掘”这个概念页面归属于“数据挖掘”、“人工智能应用”等多个类别。每个类别可以包含若干子类别,上下层类别之间不仅反映出继承的关系,也可能是实例、包含、属性等不同的语义关系。类别之间的这种关系构成一个巨大的分类体系。
1.3重定向
维基百科将同义的多个概念用一个页面进行描述,这些概念中只有一个概念的页面包含解释描述信息,其他的概念则使用重定向链接到这个页面,包含重定向链接的页面称作重定向页面[9]。重定向页面的概念与目标页面概念是同义词。例如“NBA”被重定向到“国家篮球协会”,这种重定向页面的机制同时能够处理大小写、缩写、拼写变体、专业术语等。
1.4消岐页
消岐页是为了处理一词多义的机制[9],例如消歧页面“风车(消歧义)”中,包含指向多个概念页面的链接:“风车”,“风车(玩具)”,“风车(农具)”等。
1.5链接
页面与页面之间通过主题页面内容中的超链接联系起来[10]。即概念的描述之间用超链接联系,其中蕴含着重要的事实联系或语义关系。
2基于维基百科的特征扩展
为提高短文本特征词的类别特征和最大限度的保留其语义信息,本文借助维基百科知识库来挖掘短文本所蕴含的隐性信息,通过选取一些在语义层面与特征词有高度相关关系的词对特征词进行扩展以辅助短文本分类,利用抽取的维基百科词语相关概念集合作为扩展词集合,通过扩展词集合从语义层面对特征进行扩展,以构建语义向量空间。
本文中的特征扩展以现实世界词语间的语义相关关系为基础,对文本特征词进行扩展,通过某个特征词关联出若干个特征词以提高其语义描述能力。例如,短文本“李娜获得法网冠军”,可以提取该文本的特征词{李娜,获得,法网,冠军},“李娜”这个词,我们很容易根据对常识的掌握联想到“网球”、“WTA”等词语,短文本被表示为{李娜,获得,法网,冠军,网球,WTA……}。
本文以维基百科知识库为数据源,利用其所蕴含的概念、重定向、类别体系结构及各类链接等信息进行词语的相关概念集合构建以进行特征扩展:首先将特征词转化为主题概念,即进行词语-概念匹配,其次进行相关概念的抽取,再次,对所抽取的相关概念与主题概念间的语义相关关系进行量化,以完成相关概念集合的构建。最后,从相关概念集合选取概念对特征词进行语义扩展。
特征扩展的具体过程如下:
Step 1:进行词语——概念匹配。词语——概念匹配是将特征词tk映射为维基百科中存在的主题概念Ck。当该特征词存在重定向时,以重定向的概念作为特征词tk的主题概念,以首先解决同义词问题。如特征词“奥运会”匹配为概念“奥林匹克运动会”。
Step 2:抽取主题概念Ck的相关概念。由于维基百科中的主题页面是对概念的解释,而且页面中的链接是维基百科贡献者根据锚文本与当前概念的相关性添加的,所以本文利用网页间链接关系从维基百科中抽取相关概念。由于页面上的部分锚文本所对应的概念与主题概念相关性不强,为了去除此种弱相关关系词,本文只选取与主题概念Ck具有互相链接关系的概念作为相关概念。因此,抽取相关概念时,对主题概念页面链出的概念进行跟踪,当且仅当该概念页面中也包含指向主题概念页面的链接时,则将此概念作为主题概念的相关概念。因此,可以得到主题概念Ck相关的概念集合Ck(C1,C2,……,Cn),其中Ck与Ci(1≤i≤n)间具有相互链接关系。
Step 3:进行概念间语义相关关系量化。语义相关关系量化是为了区分相关概念集合中不同概念对主题概念的贡献度。本文主要运用维基百科的链接结构和类别体系分别计算概念距离和类别距离,然后将这两个值进行线性组合计算概念间的相关度。
2.1链接距离
本文计算链接距离的方法运用了Milne等提出的基于维基百科链接的概念间语义相关度计算方法WLM( Wikipedia Link-based Measure)[11]的思想。WLM算法运用了Google距离的思想,其原理是概念Ck、Ci间共有的相关概念越多,概念间语义距离就越小,那么其相关性就越强。由于主题概念页面中包含其他概念的链接,表现为链出链接,而主题概念页面也可能会被其他概念页面链接,表现为链入链接。WLM法分别对这两种链接计算相关性后再综合完成概念间的相关性计算。受WLM法启发,本文定义的概念Ck、Ci间链接距离计算公式如下:
Dlink=log(max(A,B))-log(A∩B)1log(W)-log(minA,B))(1)
其中:Dlink是指概念Ck、Ci间的语义距离,A、B是指在维基百科中分别与概念Ck、Ci有相互链接关系的概念集合,W则指维基百科中所有概念解释页面的集合。符号“”表示取集合中的实体数量。
2.2类别距离
WLM算法虽然被证明在英文维基百科上效果不错,但中文维基百科在规模上不如英文维基百科,主题页面之间的链接存在一定的稀疏性。因此,对于中文维基百科仅用链接结构很难充分衡量概念间的语义距离。因此,本文在链接距离的基础上,通过计算概念所属的类别之间的距离,以便更准确衡量概念间的相关度。
在维基百科的类别体系中,一个分类节点可能包含多个上层和下层分类节点,因此两节点之间路径可能不惟一,即存在多条路径,但其中必然存在一条最短路径d,而两节点间的最短路径越小,则其距离就越近,那么类别间的相关程度也就越高。此外,由于概念可能属于多个类别,那么两个概念间就可能存在多种分类关系的组合,也就可能对应存在多个最短路径。本文将其中最小的最短路径值作为两概念之间的类别距离,则概念Ck与Ci之间的类别距离计算公式表示为:
Dcat(ck,ci)=log(min(dki)+1)(2)
其中dki代表概念Ck、Ci所属类别之间的最短路径距离,取log值是为了使dki变化幅度平均化,抑制类别距离与链接距离之间过大的差异。
2.3相关度计算方法
为了较全面的衡量概念间的相关度,概念间语义距离应该综合考虑维基百科链接结构和类别体系中蕴含的概念间关系。本文定义的主题概念Ck与其相关概念Ci间的概念语义距离计算方法如公式(3)所示,形式上表现为链接距离Dlink和类别距离Dcat的线性组合:
D(ck,ci)=αDlink(ck,ci)+(1-α)Dcat(ck,ci)(3)
其中α(0≤α≤1)为调节参数。由于概念与其本身的距离为0,相关度设为1,随着距离的增大,概念间的相关关系越小,当语义距离趋于无穷大时,相关度为0。因此,本文将概念间的相关度计算公式定义为:
R(ck,ci)=11D(ck,ci)+1(4)
Step 4:经过上述步骤,特征词tk所对应的主题概念Ck构建的相关概念集合为((C1,R1),(C2,R2),……,(Cn,Rn)),Ri(1≤i≤n)代表相关概念与主题概念间的相关度,由公式(4)求得。为了避免维度灾难且不引入过多噪音数据,从上述过程构建的相关概念集合中选取相关度大于阈值μ的概念对主题概念进行特征扩展,即特征词tk所对应扩展概念为为((C1,R1),(C2,R2),……,(Cm,Rm)),其中Ri≥μ(1≤i≤m)。
3基于特征扩展的短文分类算法
3.1基本思想
本文通过结合维基百科语义知识库对特征词进行扩展以辅助中文短文本分类,以丰富文本特征的语义表达、提高文本特征描述能力。首先利用维基百科挖掘概念间的语义相关关系,进而构建相关概念集合对短文本特征进行扩展,以构建语义概念向量空间,使得语义向量空间中文本的语义更准确、完整,而且可以避免短文本特征稀疏的缺点,以提高短文本分类的准确度。
3.2分类模型
面向社区问答的短文本分类模型与传统长文本类似,主要包括训练和测试两个过程,如图1所示。
3.2.1训练过程
训练模块对己经标好类别的训练短文本集预处理,形成用一系列特征词表示的文本,即形成训练集的原始特征集合;然后运用基于维基百科的特征扩展方法对原始特征集合中的特征词进行语义扩展,形成新的特征集;计算特征集中每一个特征词在训练集中权重,将文本表示成由原始和扩展特征词及其权重表示的向量形式;最后用分类算1图1基于特征扩展的短文本分类模型1
法对训练集进行分类,形成分类模型。
3.2.2测试过程
同样使用已经标好类别的测试短文本进行预处理后,将测试短文本表示成向量形式;然后利用训练过程得到的分类模型进行分类测试,根据分类结果对分类过程中的相应参数进行调整,直到得到较好的分类效果。
3.3分类算法
根据上述基于特征扩展的短文本分类模型,可以得到相应的分类算法,算法流程具体描述如下:
输入:短文本训练集D,待分类短文本d
Step 1:分别对短文本训练集D和待分类短文本d进行分词、去停用词等预处理,预处理之后可以得到每篇文章对应的原始特征集合。
Step 2:分别将短文本训练集D和待分类短文本d由原始特征集合转化为语义文本特征向量。顺序遍历原始特征集合中的特征词ti,如果在维基百科中能匹配到ti对应的概念,则利用第3节中的方法,对该特征词进行特征扩展。
Step 3:扩展完后进行特征权重计算,然后合并相同特征项,相应权重进行相加。由此文本有原始特征集合d={t1,t2,…,tn}转化为d((T1,w1),(T2,w2),…,(Tm,wm))。
其中权重的计算分两种情况,如果是原文档本身存在的特征词,则其权重由tf-idf[12]计算求得,而扩展来的词的权重计算方法如下:
wij=wi·Rij(5)
公式中wi为被扩展词ti的权重,Rij为ti的相关概念集合((C1,Ri1),(C2,Ri2),……,(Cn,Rin))中概念Cj与ti所对应概念的相关度。
Step 4:用支持向量机分类算法[13]对训练集向量进行分类,形成分类模型。
Step 5:根据训练过程得到的分类模型对待分类文本d进行分类。
输出:短文d所属的类别。
4实验与结果分析
本文对所提出的面向社区问答的中文短文本分类方法的效果进行了实验验证。实验语料来自“新浪爱问”中收集的10个类别各1 000篇问题文本,维基百科数据来自维基百科网站下载的zhwiki-2013-02-15中文版XML数据集。本文实验采用5折交叉验证法,将每类文本随机平均分为5份,其中一份构成测试文本集,其它4份作为训练文本集,每份文本轮流作为测试集循环测试5次,取其均值为最终结果。具体实验过程如下:
4.1特征扩展时词语相关度阈值μ的确定实验
为了在不引入过多噪音数据的前提下进行高质量的特征扩展,以提高短文本分类的效果,本文首先进行不同词语相关度阈值下的分类效果对比试验,实验中统一采用本文所提出的基于特征扩展的短文本分类算法,为了得到较好的文本分类效果,通过反复试验,公式(3)中的参数α为0.7。实验中统一使用中科院的ICTCLAS进行分词。不同相关度阈值下的分类效果对比实验结果如下:表1不同的相关度阈值下的实验结果F1(%)比较
由表1平均F1可以看出,当词语相关度阈值μ取0.6左右时平均F1最高,分类效果达到最佳,因此后续实验征扩展时词语相关度阈值μ取0.6。
4.2与传统文本分类算法的分类效果对比实验
本实验共分3组,实验中分别采用本文所提出的分类算法与传统的贝叶斯分类算法与支持向量机分类算法进行分类:
第一组实验中短文本采用传统的短文本分类方法,即在分类过程中不进行特征扩展处理,分类算法采用贝叶斯分类算法。
第二组实验采用传统分类方法进行短文本分类,分类算法使用支持向量机,SVM的核函数为线性核函数。
第三组对本文提出的基于特征扩展的中文文本分类算法进行实验验证,即在分类过程中,对文本特征进行特征扩展以完成短文本分类过程。
由表2中实验结果对比可以看出,实验三较实验一、二的分类效果均有所提高,这表明本文所提出的基于特征扩展的短文本分类算法对短文本进行扩展能提高问题文本的语义表达能力,改善其分类效果。而部分类别分类效果提高较少的原因与扩展时引入的相关概念的质量有关,有时扩展的相关概念对文本的语义表达帮助较小,可能还会引入一些噪音数据。此外,文本分类的整体分类效果不高也与问题文本自身不规范性有关,同时也受到实验语料自身划分质量的影响。所以,如何提高短文本特征扩展的精度和效率是下一步研究的重点。
5结束语
针对社区问答系统中的问题文类任务,本文根据问题短文本的特点,结合维基百科提出一种基于特征扩展的短文本分类算法,该算法利用维基百科中的概念、链接及类别信息来挖掘概念间的语义相关关系,以此为基础对短文本的特征进行扩充,以弥补社区问答系统中问题短文本特征少、语义信息描述弱等不足。实验结果表明,该算法可满足问题短文本分类的需且具有较好的分类效果。
参考文献
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[2]王鹏,樊兴华.中文文本分类中利用依存关系的实验研究[J].计算机工程与应用,2010,46(3):131-133.
[3]王细薇,樊兴华,赵军.一种基于特征扩展的中文短文本分类方法[J].计算机应用,2009,29(3):843-845.
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[10]王兰成,刘晓亮.维基百科知网的构建研究与应用进展[J].情报资料工作,2012,(5):56-60.
[11]David Milne,Ian H Witten.An effective,low-cost measure of semantic relatedness obtained from Wikipedia links[C]∥Proceedings of the 23th Association for the Advancement of Artificial Intelligence,2008:25-30.
【关键词】 亚低温;脑缺血;热休克蛋白70
Abstract Objective: To investigate the effectiveness of mild hypothermia therapy on heat shock protein(Hsp) expression in rats with focal cerebral ischemia. Methods: 48 SD rats were randomly pided into the trial group(the mild hypothermia group) and the control group. Each group was subpided into 3 groups (sub-groups) according to the post-infarction disposal time, with 8 SD rats in each sub-group. The rat models of focal cerebral ischemia were established with the modified Longa method. The rats in the trial group were cooled by mild hypothermia for two hours, while those in the control group were subjected to no disposal. The rats in every sub-group was killed at the points of 12 hours, 24 hours, 48 hours after infarction, respectively. Immunohistochemistry method was performed to confirm the expression of the Hsp 70 at the"penumbra field"in rat brain tissue. Results: The expression of the Hsp70 in rats of the trial group was less than that of the control groups at each time point , there was significant difference in the expression of Hsp70 between the 24 hours subgroup and the 48 hours subgroup (P
Key words Mild hypothermia; Brain ischemia; Heat shock protein 70
低温一般分为轻度低温(mild hypothermia)(33~35℃);中度低温(moderate hypothermia)(28~32℃);深度低温(profound hypothermia)(17~27℃);超深低温(ultraprofound hypothermia)(2~16℃)。亚低温一般指32~35℃的低温,亚低温脑保护的研究已有数十年历史,脑组织热休克蛋白70 (Heat-shock protein 70,Hsp70)主要存在于缺血半暗带,本研究通过观察亚低温处理后实验大鼠缺血区脑组织内Hsp70含量的变化,探讨亚低温的脑保护机制。
1 材料与方法
1.1 动物分组 健康SD大鼠雌雄不计共48只,体重300~330g,随机分为两组:亚低温组和常温组,每组在术后又分为12小时、24小时、48小时3个亚组。
1.2 脑缺血模型的制备 参照改良的Longa栓线法[1]构建大鼠局灶性脑缺血模型,用2%戊巴比妥钠按45mg/kg体重腹腔内注射麻醉,麻醉成功后,仰卧位固定于手术台,亚低温组头枕冰帽,测颞肌温度,待颞肌温度低于35℃时开始手术,并将温度控制在32~35℃之间2小时,常温组麻醉成功后即可手术。
1.3 选入标准 (1)提尾后右前肢内收屈曲,(2)爬行时向右侧划圈(“追尾现象”),(3)站立时向右侧倾倒。凡具有上述体征之一者可入选本实验。
1.4 免疫组化 将脑缺血12小时、24小时、48小时后每组动物各8只,常规灌流,具体做法为在规定的时间点以过量的10%水合氯醛再次麻醉大鼠后,迅速暴露心脏,向左心室内插管,同时剪开右心耳,先向左心室中迅速灌入0.9%氯化钠溶液约250mL,当大鼠右心耳流出的液体变为无色时再向左心室内灌入新配制的4%多聚甲醛磷酸缓冲液250mL,等待大鼠肢体僵硬后迅速断头取脑, 标本入-20℃冰箱冷冻15分钟后做连续冠状切片,片厚2mm,共6片,留取第4片(B-2.2至B-4.2区)入4%多聚甲醛后固定以作冰冻切片之用,其余厚片用于TTC染色,第4片后固定后在恒低温切片机上制成片厚30μm的冰冻切片,用于免疫组化和HE染色。
1.5 TTC染色 将脑组织置于-20℃下冷冻20分钟,放入10%TTC溶液(2,3,5- Triphyltetrazolium),避光,37℃恒温水浴箱孵育30分钟,继以4%多聚甲醛缓冲液后固定3~5天,非梗死区呈红色,梗死区不着色。
1.6 HE染色 用10%甲醛溶液固定24小时以上,石蜡包埋切片,HE染色,显微镜下观察脑组织病理改变。
1.7 热休克蛋白70测定 第4片后固定后在恒低温切片机上制成片厚30μm的冰冻切片制成石蜡块,用石蜡切片机切成 20μm切片,捞片后置于烤箱,58~60℃烤30分钟后取出;加枸橼酸缓冲液中置于微波炉加热至沸腾,间隔10分钟反复2~3次,自然冷却;血清封闭10分钟,滴加小鼠Hsp70抗体(4℃)过夜;滴加1∶100生物素化山羊抗小鼠IgG(37℃),孵化30分钟;滴加SABC复合物(37℃),孵育30分钟,DAB显色,酒精梯度脱水、透明、封片。光镜下观察染色结果,并按照McCarthy等的方法对免疫组化染色结果进行半定量分析。即按照细胞着色的程度分为0、1、2、3四级,分别对应无着色、轻度着色、明显着色和深度着色,每张切片计数100个相邻细胞,计算出4种着色程度细胞的百分数,最终抗原表达程度的分值按公式ΣPi×I计算,其中I为细胞着色程度,取值为0、1、2、3,Pi为细胞着色为I时的细胞百分数。
1.8 观察指标
1.8.1 神经功能缺损评分 参见Longa等[1]5分制评分标准:0分,无神经功能障碍;1分,轻度神经功能缺损(前爪不能完全伸展);2分,中度神经功能缺损(向患侧转圈);3分,严重神经功能缺损(向患侧倾斜);4分,昏迷、意识不清。3个亚组中大鼠神经功能评分处死时较选入时减少1分或1分以上为好转,未减少或增加评为未愈。
1.8.2 脑梗死体积计算 经TTC染色的脑组织厚片,采用计算机图形分析系统进行梗死面积测定,按公式:梗死体积=(各片正面梗死面积之和+各片反面梗死面积之和)/2×每片厚度,换算成体积。为排除脑水肿因素干扰,以正常大鼠大脑体积为基准换算出梗死灶体积占大脑(不包括嗅球)体积的百分比进行统计分析,以梗死体积/正常大鼠大脑体积×100%表示。
1.8.3 病理学检查 光镜观察:尼氏染色和HE染色后,由大脑正中裂旁开1cm开始,用目镜网格测试系统在40×10放大倍数下进行半定量分析,连续记数3个视野顶叶皮层第三层神经元总数及变性、坏死神经元所占百分数及40倍下扩张的微血管数。
1.8.4 热休克蛋白70测定 采用病理图像分析仪随机选10个高倍镜(×400)非重叠视野记录阳性细胞数,求均值。
1.9 统计学方法 采用常规统计学方法t检验分析实验结果。
2 结果
实验用48只SD大鼠成功栓塞42只(87.5%),剩余6只中2只麻醉剂过量当时死亡,4只于手术过程中死亡。亚低温组12小时、24小时、48小时各亚组神经功能评分好转例数分别为4例、5例、7例,好转率分别为66.7%(4/6)、83.3%(5/6)、87.5%(7/8),常温组12小时、24小时、48小时各亚组神经功能评分好转例数分别为4例、4例、4例,好转率分别为50%(4/8)、57.1%(4/7)、57.1%(4/7)。病理切片HE染色可见神经元变性坏死,大量神经元胞核固缩,尼氏体消失,并可见到神经元周围空泡样改变,镜下有时还可见到大脑中动脉的内皮受损表现。但上述表现亚低温组较常温组轻,见图1、图2。脑梗死体积测定见表1,各亚组比较,24小时组及48小时组亚低温组较常温组差异有统计学意义(P<0.05,P<0.01)。热休克蛋白免疫组化测定发现大鼠不同脑区神经元和胞质均可见HSP70的表达,见图3、图4。亚低温及常温组大鼠相应脑区HSP70阳性神经元的数目见表2, 24小时组及48小时组亚低温组较常温组差异有统计学意义(P<0.05,P<0.01)。表1 各亚组脑梗死体积比值表2 各亚组HSP70 计数
3 讨论
脑组织对缺血、缺氧损害非常敏感,阻断血流30秒钟脑代谢即发生改变,1分钟后神经元功能活动停止,脑动脉闭塞导致缺血超过5分钟可发生脑梗死,急性脑梗死病灶由中心坏死区及周围的缺血半暗带组成,坏死区由于完全性缺血导致脑细胞死亡,但缺血半暗带仍存在侧支循环,可获得部分血液供应,尚有大量可存活的神经元,如果血流迅速恢复使脑代谢改善,损伤仍旧为可逆性,神经元细胞仍可存活并恢复功能,保护这些可逆性损伤神经元是急性脑梗死治疗的关键[2]。
上世纪80年代,人们发现如果脑温低于正常值的2~6℃(即亚低温),能够对缺血脑组织起到明显的保护作用,而且没有严重的并发症[3]。Reith[4]证实,亚低温能够降低死亡率改善病人的预后。亚低温的脑保护机制主要有:(1)降低脑代谢率,减少ATP的消耗,减少耗氧量,促进脑组织ATP含量、磷酸肌酸浓度以及细胞内pH的恢复[5]。(2)低温减低兴奋性氨基酸的释放,减少钙离子内流,抑制炎症反应的发生。(3)低温能降低颅内压、减轻脑水肿[6]。(4)亚低温能抑制神经元的凋亡。(5)亚低温可调节损伤后钙调蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C的活性。
热休克蛋白是一种病理性应激蛋白,人体在某些环境因素及应激刺激,如缺血、缺氧、病毒感染、重金属离子、DNA损伤,特别是热的作用后,发生热休克反应,一些正常蛋白质的合成受到抑制,同时发生热休克蛋白基因的表达或表达增加。正常脑组织Hsp70 mRNA及Hsp70蛋白含量很少,局灶及全脑缺血后受损细胞内的变性蛋白质诱导Hsp70的表达。Hsp70还可以增强组织细胞对应激刺激的耐受性。持续性MCAO后Hsp70的表达主要见于缺血后的半暗带(penumbra),即蛋白质合成受抑制而ATP保存的区域,于血管闭塞后3小时达高峰。缺血后Hsp70的诱导,见于对缺血最敏感的神经元,出现于缺血损伤后存活神经元中。影响Hsp表达的因素主要是局部脑血流量的改变。大鼠非致死性脑缺血后,在MCA供血区呈现高度Hsp70的表达。Nowak等[7]发现,Hsp72的表达主要局限于脑血流量低于对照水平50%的区域,所供给的残余血量能够诱导mRNA及蛋白质的合成。局灶脑缺血后Hsp72的诱导,见于少数存活的细胞群,即那些代谢遭损害但损伤为可逆性的细胞。脑梗死后机体处于一种应激状态,能够诱导Hsp的产生。Hsp主要发挥分子伴侣的作用,能与蛋白分子结合,保护新合成的蛋白质分子的正确构型,防止在正确的多聚体形成以前蛋白亚单位发生错误的折叠和聚焦,在经历持续性亚致死性缺血损伤的局灶性脑缺血,Hsp70的表达见于严重缺血的边缘区域,Hsp70可以作为缺血性半暗带的生物学标志。
脑缺血后发生应激反应的标志之一是Hsp蛋白的诱导表达。亚低温时Hsp表达的多寡,可能主要取决于缺血后半暗带的大小。本实验结果显示亚低温治疗减少了脑梗死的体积,但Hsp70的表达是减少的,这与缺乏缺血后再灌注有关。但它反映了亚低温治疗后缺血半暗带较常温组减小,具有脑保护作用。王强等[8-9]实验认为,亚低温治疗后脑组织Hsp70 mRNA表达增多,即刻后亚低温作用优于缺血后再灌注。Suga等[10] 研究了沙土鼠短暂缺血后脑温对Hsp72表达的影响,显示Hsp72的诱导显著依赖于缺血后的脑部高温。缺血后脑温对脑损伤的程度有很大影响,再灌注期间脑温的高低也影响脑损伤的程度。脑温的变化改变了脑缺血后的基因表达,并可能诱导脑组织对缺血损伤的耐受性。
参考文献
[1] Longa EZ,Weinstein PR,Carlson S,et al.Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats[J].Stroke,1989,20(1):84-91.
[2] 王维治,罗祖明.神经病学[M].5版.北京:人民卫生出版社,2004:135.
[3] 曹绪政,苏志强,徐建民,等.局部亚低温对脑梗死大鼠的脑保护作用[J].中国临床康复,2005,9(13):208-209.
[4] 陈红,钱坤,李承晏,等.低温对脑梗死灶周边葡萄糖利用率的影响[J].武汉大学学报,2004,25(2):126-128.
[5] Reith J,Jorgensen HS,Pedersen PM,et al.Body temperature in acute stroke:relation to stroke severity,infarct size,mortality,and outcome[J].Lancet,1996,347(8999):422-425.
[6] 陆杨春,周大勇.头部亚低温治疗急性脑水肿58例临床观察[J].右江民族医学院学报,2006,28(4):553.
[7] Nowak TS Jr,Jacewicz M.The heat shock/stress response in focaol cerebral ischemia[J].Brain Pathol,1994,4(1):67-76.
[8] 王强,孙毅明,李铁山,等.亚低温对大鼠局灶性缺血后HSP70 mRNA表达的影响[J].青岛大学医学院学报,2005,41(2):146-148.
[9] 王强,孙毅明,李铁山,等.亚低温对大鼠局灶性缺血后神经凋亡及Bcl-Xl、Bcl-Xs、HSP70 mRNA表达的影响[J].中华物理医学与康复杂志,2005,27(5):272-275.
[10] Suga S,Nowak TS Jr.Postischemic hyperthermia increases expression of Hsp72 mRNA after brief ischemia in the gerbil[J].Neurosci Lett,1998,243(1-3):57-60.
2 结果
实验用48只SD大鼠成功栓塞42只(87.5%),剩余6只中2只麻醉剂过量当时死亡,4只于手术过程中死亡。亚低温组12小时、24小时、48小时各亚组神经功能评分好转例数分别为4例、5例、7例,好转率分别为66.7%(4/6)、83.3%(5/6)、87.5%(7/8),常温组12小时、24小时、48小时各亚组神经功能评分好转例数分别为4例、4例、4例,好转率分别为50%(4/8)、57.1%(4/7)、57.1%(4/7)。病理切片HE染色可见神经元变性坏死,大量神经元胞核固缩,尼氏体消失,并可见到神经元周围空泡样改变,镜下有时还可见到大脑中动脉的内皮受损表现。但上述表现亚低温组较常温组轻,见图1、图2。脑梗死体积测定见表1,各亚组比较,24小时组及48小时组亚低温组较常温组差异有统计学意义(P<0.05,P<0.01)。热休克蛋白免疫组化测定发现大鼠不同脑区神经元和胞质均可见HSP70的表达,见图3、图4。亚低温及常温组大鼠相应脑区HSP70阳性神经元的数目见表2, 24小时组及48小时组亚低温组较常温组差异有统计学意义(P<0.05,P<0.01)。表1 各亚组脑梗死体积比值表2 各亚组HSP70 计数
3 讨论
脑组织对缺血、缺氧损害非常敏感,阻断血流30秒钟脑代谢即发生改变,1分钟后神经元功能活动停止,脑动脉闭塞导致缺血超过5分钟可发生脑梗死,急性脑梗死病灶由中心坏死区及周围的缺血半暗带组成,坏死区由于完全性缺血导致脑细胞死亡,但缺血半暗带仍存在侧支循环,可获得部分血液供应,尚有大量可存活的神经元,如果血流迅速恢复使脑代谢改善,损伤仍旧为可逆性,神经元细胞仍可存活并恢复功能,保护这些可逆性损伤神经元是急性脑梗死治疗的关键[2]。
上世纪80年代,人们发现如果脑温低于正常值的2~6℃(即亚低温),能够对缺血脑组织起到明显的保护作用,而且没有严重的并发症[3]。Reith[4]证实,亚低温能够降低死亡率改善病人的预后。亚低温的脑保护机制主要有:(1)降低脑代谢率,减少ATP的消耗,减少耗氧量,促进脑组织ATP含量、磷酸肌酸浓度以及细胞内pH的恢复[5]。(2)低温减低兴奋性氨基酸的释放,减少钙离子内流,抑制炎症反应的发生。(3)低温能降低颅内压、减轻脑水肿[6]。(4)亚低温能抑制神经元的凋亡。(5)亚低温可调节损伤后钙调蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C的活性。
热休克蛋白是一种病理性应激蛋白,人体在某些环境因素及应激刺激,如缺血、缺氧、病毒感染、重金属离子、DNA损伤,特别是热的作用后,发生热休克反应,一些正常蛋白质的合成受到抑制,同时发生热休克蛋白基因的表达或表达增加。正常脑组织Hsp70 mRNA及Hsp70蛋白含量很少,局灶及全脑缺血后受损细胞内的变性蛋白质诱导Hsp70的表达。Hsp70还可以增强组织细胞对应激刺激的耐受性。持续性MCAO后Hsp70的表达主要见于缺血后的半暗带(penumbra),即蛋白质合成受抑制而ATP保存的区域,于血管闭塞后3小时达高峰。缺血后Hsp70的诱导,见于对缺血最敏感的神经元,出现于缺血损伤后存活神经元中。影响Hsp表达的因素主要是局部脑血流量的改变。大鼠非致死性脑缺血后,在MCA供血区呈现高度Hsp70的表达。Nowak等[7]发现,Hsp72的表达主要局限于脑血流量低于对照水平50%的区域,所供给的残余血量能够诱导mRNA及蛋白质的合成。局灶脑缺血后Hsp72的诱导,见于少数存活的细胞群,即那些代谢遭损害但损伤为可逆性的细胞。脑梗死后机体处于一种应激状态,能够诱导Hsp的产生。Hsp主要发挥分子伴侣的作用,能与蛋白分子结合,保护新合成的蛋白质分子的正确构型,防止在正确的多聚体形成以前蛋白亚单位发生错误的折叠和聚焦,在经历持续性亚致死性缺血损伤的局灶性脑缺血,Hsp70的表达见于严重缺血的边缘区域,Hsp70可以作为缺血性半暗带的生物学标志。
脑缺血后发生应激反应的标志之一是Hsp蛋白的诱导表达。亚低温时Hsp表达的多寡,可能主要取决于缺血后半暗带的大小。本实验结果显示亚低温治疗减少了脑梗死的体积,但Hsp70的表达是减少的,这与缺乏缺血后再灌注有关。但它反映了亚低温治疗后缺血半暗带较常温组减小,具有脑保护作用。王强等[8-9]实验认为,亚低温治疗后脑组织Hsp70 mRNA表达增多,即刻后亚低温作用优于缺血后再灌注。Suga等[10] 研究了沙土鼠短暂缺血后脑温对Hsp72表达的影响,显示Hsp72的诱导显著依赖于缺血后的脑部高温。缺血后脑温对脑损伤的程度有很大影响,再灌注期间脑温的高低也影响脑损伤的程度。脑温的变化改变了脑缺血后的基因表达,并可能诱导脑组织对缺血损伤的耐受性。
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[1] Longa EZ,Weinstein PR,Carlson S,et al.Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats[J].Stroke,1989,20(1):84-91.
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[4] 陈红,钱坤,李承晏,等.低温对脑梗死灶周边葡萄糖利用率的影响[J].武汉大学学报,2004,25(2):126-128.
[5] Reith J,Jorgensen HS,Pedersen PM,et al.Body temperature in acute stroke:relation to stroke severity,infarct size,mortality,and outcome[J].Lancet,1996,347(8999):422-425.
[6] 陆杨春,周大勇.头部亚低温治疗急性脑水肿58例临床观察[J].右江民族医学院学报,2006,28(4):553.
[7] Nowak TS Jr,Jacewicz M.The heat shock/stress response in focaol cerebral ischemia[J].Brain Pathol,1994,4(1):67-76.
[8] 王强,孙毅明,李铁山,等.亚低温对大鼠局灶性缺血后HSP70 mRNA表达的影响[J].青岛大学医学院学报,2005,41(2):146-148.