GABA能SST+中间神经元对大脑新皮层环路发育的调控机制研究

The neocortical development of many mammals goes in parallel with changes happening in the cortical anatomical and functional organization. In the network consisting of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons (pyramidal cells), the communication between the inhibitory and excitatory signal defines the cortical function. Particularly, GABAergic interneurons play a great of importance in the regulation of network, the deficiency of which would lead to several neurological or psychiatric diseases. In this proposal, we will specifically focus on the development of somatostatin-expressing (SST+) cortical interneurons within lateral ganglion eminences (LGE) and medial ganglion eminences (MGE) regions of the neocortex. Combining with two photon imaging (photogenetics), dual-patch recording, we will explore the developmental events by which the SST+ interneuron population achieves its mature connectivity and examine how these cells contribute to the establishment of cortical architecture. Moreover, we will explore the molecular mechanism with single cell sequencing to find candidate factors, which are selectively expressed by SST+ cortical interneurons. Our findings will help to understand the etiology of neurological disorders and their relationship to aberrant cortical development such as epilepsy or schizophrenia.

哺乳动物新皮层功能的实现依赖于其内部神经网络的有序组织和顺利运转，其中 GABA能抑制性中间神经元与谷氨酸能兴奋性锥体神经元之间突触的有效传递对于运动皮层的功能至关重要。在以GABA能中间神经元和谷氨酸能锥体神经元为单位形成的神经网络中，GABA能中间神经元对于神经网络的形成及调节发挥了巨大作用，其发育的异常和多种疾病相关。研究GABA能中间神经元不同亚型在发育过程中对神经网络的形成及调节作用有助于加深对多种神经／精神疾病的认识。在本项目中，我们拟结合双光子光学成像、光遗传和电生理技术，以起源于外侧神经节突起区（lateral ganglion eminences，LGE）和内侧神经节突起区（medial ganglion eminences，MGE）的中间神经元为切入点，深入研究小鼠皮层环路发育过程中SST+抑制性神经元如何调控兴奋性神经元环路功能以及相关分子调控机制。

通过本项目的实施，研究组通过将胚胎期的MGE细胞与成体皮层中的LHX6+成熟中间神经元的单细胞测序数据进行整合分析，揭示了MGE中间神经元的多样性在它们在神经节隆起产生的初期，仍处于前体细胞状态时就已经确定。研究将MGE产生的胚胎期SST阳性神经元划分为11个亚类，并鉴定了每个亚类的分子特征，通过转录组相似性找到了胚胎期细胞亚类在成年期的对应细胞类型，阐明了其命运决定过程。由于中间神经元在腹侧端脑的神经节隆起产生之后，需要进入不同的迁移路径，进而精准地进入目标脑区并参与其环路建立。而中间神经元多样性的提前确定对于指导中间神经元准确地进入迁移路径，进而精准地参与环路建立是极其重要的，文章已经在Science（2021）发表。.另一方面，研究组首次系统地对小鼠出生后第1天至第30天各个时间段的大脑皮层2/3层中SST中间神经元各项电生理特征和形态特征进行了收集，并确定出生后的前两周是SST中间神经元发育的关键时期，在出生后第15天以后其自身的电生理参数基本趋于稳定。同时我们利用双通道膜片钳技术进行了SST中间神经元和附近的锥体细胞之间化学突触联系检测，发现这些突触联系也随着发育的进程不断地增强。之后我们采用向皮层注射毒素的方法对不同时间的突触传递能力进行干扰，发现在出生后第1天干扰突触传递后，SST中间神经元自身的发育明显滞后，而在第8天进行干扰则不会影响这类中间神经元的成熟。为了鉴定导致了这一现象细胞类别特异性突触连接，我们抑制了小鼠皮层椎体细胞的兴奋性活动。结果显示当锥体细胞兴奋性降低时，SST中间神经元的自身成熟将会明显滞后，并持续到出生后一个月。综上所述，我们首次报道并提出SST中间神经元自身的成熟与锥体细胞的支配强度和作用时间密切相关，阐述了SST中间神经元在皮层发育过程中独特的成熟特性及其调控机制，为研究皮层局部神经网络的发育、环路内兴奋－抑制平衡等方面提供新的想法和理论基础，文章发表在Cerebral Cortex（2019）。