神经元轴突起始段可塑性受网络活动调节的机制及其在脑缺血损伤中的作用

Neuronal network activity is the basis for nervous system functions. Recent studies have found that the neuronal axon initial segment (AIS) is plastic which can sense the changes in network activity and regulate the excitability of neurons. However, the molecular mechanisms regulating AIS plasticity and its role in diseases are still need to be revealed. In our previous study, we found that AIS structure was destroyed under pathological conditions such as in vitro model of ischemia, while secreted molecules induced by network activity can regulate the structure and function of AIS. To further verify whether neuronal network activity under ischemia can affect AIS and cause neuronal damage, we plan to investigate how AIS plasticity is affected applying electrophysiological recordings and super resolution imaging. Furthermore, we will explore the underlying molecular mechanisms at different levels including cultured cells, brain tissue and in vivo animal model. Finally, we will manipulate AIS plasticity by interfering molecular pathways under the ischemia model, to improve neuronal network reconstruction and functional recovery after injury. We hope that understanding of AIS plasticity at the physiological and molecular levels could provide new insights to clinical application of ischemic diseases in the future.

神经元网络活动是神经系统功能的基础。近年来的研究发现神经元轴突起始段（axon initial segment，AIS）存在可塑性且可以感知网络活动的改变并调节神经元的兴奋性。但调控AIS可塑性的分子机制及其在疾病损伤中的作用尚待研究。本课题组前期研究发现：模拟缺血时AIS的结构会遭到破坏，而网络活动改变引起的分泌物质变化可以调控AIS的结构和功能。基于前期研究结果，拟利用电生理学、超高分辨成像及分子生物学等研究手段，从培养细胞、脑片组织、在体动物模型等多个层面研究神经元网络活动对AIS可塑性的影响，探索其分子机制；进而在缺血条件下改变调控AIS可塑性的分子通路，以期改善缺血后神经元网络重建和功能恢复，为脑缺血等疾病的临床治疗提供新思路。

神经元网络活动是神经系统功能的基础。近年来的研究发现神经元轴突起始段（axon initial segment，AIS）存在可塑性且可以感知网络活动的改变并调节神经元的兴奋性。调控AIS可塑性的分子机制及其在疾病损伤中的作用尚待研究。.本研究发现NMDA（N-methyl-D-aspartic acid）对大鼠海马神经元的3小时短时程处理改变神经元网络活动可导致AIS与胞体之间的距离可逆的缩短。进一步研究发现NMDA处理后，培养基和细胞组分中脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的含量和BDNF受体TrkB的磷酸化水平均显著升高。直接在培养神经元中施加不同浓度BDNF，发现同样可引起AIS向胞体的移动。进一步探究TrkB下游可能对AIS可塑性有关键调控作用的通路，发现抑制PLC或MEK1/2均会影响BDNF对AIS的可塑性调节。在PLC下游的Ca2+相关信号中，钙调磷酸酶（calcineurin，CaN）抑制剂FK506对AIS可塑性有一定抑制作用。.细胞骨架在维持细胞形态、承受外力、保持细胞内部结构的有序性等方面起重要作用。在MEK/ERK和PLC下游的信号途径中，均有部分指向对细胞骨架动力学的调节。本研究发现微管稳定剂Taxol的加入可抑制BDNF引起的AIS可塑性调节。Tubulin去乙酰化酶HDAC6和Sirt2的抑制剂TBSA和AGK2也会抑制BDNF对AIS位置的可塑性调控。.综上所述，本研究对NMDA受体激活下引起的AIS短时程结构可塑性进行探索，发现其可通过BDNF及其受体的激活引起AIS可塑性变化。同时揭示BDNF下游的PLC和MEK/ERK通路在BDNF调节AIS可塑性的过程中发挥作用，另外微管的转录后修饰对微管稳定性的调节也会导致AIS可塑性变化。本研究为AIS可塑性及其功能的相关研究提供了新的视角。