脑源性营养因子BDNF对基础突触传递的动力学调控及机制

Synaptic tranmission is the foundamental building block of the neural network and its regulation throughout the brain would critically affect brain function. One molecule exerting such widespread regulation is brain derived neurotrophic factor (BDNF), a member of the neurotrophin family generated in most areas of the brain. The global effect of BDNF may contribute to the neuronal differentiation, development and plasticity. Also deficiency in BDNF signaling has been implicated in many neurological disorders. Although these global effects of BDNF are well characterized, the basic mechanisms by which BDNF affect synaptic transmission remain poorly understood. The applicant has established a platform to study the presynaptic mechanisms of synaptic transmission using the calyx of Held synapse located in the auditory pathway of the brain stem which has a huge presynaptic nerve terminal.This project will study how BDNF regulates the basal synaptic tranmission by using high temporal resolution patch clamp technique at the calyx of Held synpase. We will focus on 1) how BDNF affects the kinetics of action potential and the sodium/potassium channel current; 2) how BDNF regulates the calcium influx trigged vesicle exocytosis and endocytosis; 3) whether pre- or postsynaptically generated BDNF regulates transmitter release. This project will bring new insight into how BDNF, or more generally speaking, neurotrophins, affects the release process and the BDNF-mediated changes in transmitter release can present potential targets for pharmacological interventions of related neurological disorders.

突触神经元间的信号传递是整个神经网络的功能基础，对突触传递的调控也直接影响大脑的功能。脑源性营养因子BDNF在许多脑区均有表达，通过调控突触传递影响神经系统分化，发育及可塑性。但BDNF对突触传递的调控机制至今并不清楚，由于突触前神经末梢极其微小，长期以来只能从突触后特性改变来推测突触前机制，缺乏直接的突触前动力学调控机制研究。申请人利用大鼠听觉通路花萼状突触的巨大突触前神经末梢，建立起研究突触前机制的平台,发现BDNF通过抑制钙电流减少神经递质释放。本课题将以这种突触为标本，利用高时间分辨率膜片钳技术，研究BDNF对突触前递质释放动力学的调控机制。包括：1）对动作电位及钠钾电流的动力学调控；2）钙电流触发的神经囊泡释放及回收的调控机制；3）调控这种突触传递机制的BDNF合成来源。本课题的研究将为BDNF调控基础突触传递动力学的突触前机制提供全新认识，为相关神经疾病的早期诊断治疗提供思路。

BDNF作为神经营养因子家族中的一员，在许多脑区均有表达，并且在调控神经元的存活、分化，轴突分支，以及神经元的发育过程中有着重要的作用。近年来的一些研究发现，BDNF除了能够调控神经元发生和发育，还能够参与调节突触传递的过程。例如BDNF能够在脊髓、海马、花萼状突触以及其他脑区中抑制或者增强基础突触传递，调节与记忆密切相关的长时程增强和长时程抑制。此外，敲除BDNF或者其下游TrkB受体能够导致大脑功能紊乱以及很多神经退行性疾病，包括记忆损失、阿尔茨海默病、帕金森以及精神分裂症。虽然BDNF在神经网络功能调节中有着重要作用，但是其内在机制尤其是激活TrkB受体后对于突触前囊泡循环过程的调控机制仍然所知甚少。.本课题以花萼状突触作为实验材料，利用突触前和突触后联合膜片钳技术，全面直接研究BDNF调控囊泡循环的内在分子机制。我们的研究结果表明：1）BDNF能够抑制突触前钙电流的大小但是对钙通道的基本特性没有影响；2）BDNF能够通过降低囊泡释放概率来抑制不同刺激强度下的囊泡释放，但对突触前可立即释放囊泡库的大小没有影响；3）BDNF能够抑制囊泡的快速和慢速内吞，当补偿钙电流至正常水平后，BDNF仍然对快速的囊泡回收有着直接的抑制效果。更进一步，我们发现当阻断突触前大麻素受体CB1R后，BDNF的抑制作用消失。我们随后的研究表明，激活CB1R以及抑制AC/PKA能够模拟BDNF的作用，表明BDNF是通过CB1R/AC/PKA通路来抑制囊泡循环的。当我们阻断突触后PLC和DGL来抑制内源性大麻素合成后，BDNF的抑制效果同样消失，证明BDNF能诱导内源性大麻素的合成。综上，BDNF能够通过激活突触后TrkB受体诱导大麻素的释放，随后大麻素激活突触前CB1R，通过抑制AC/PKA途径来抑制钙电流和囊泡循环。.本课题的发现，将为神经营养因子家族对于突触传递的调控作用提供全面的参考，有助于我们进一步阐明和研究神经营养因子家族对于囊泡循环、突触传递乃至神经网络互作的内在机制，为神经疾病和脑功能紊乱等疾病提供可能的药物靶点。.