基底前脑胆碱能神经元在嗅觉信号处理中的作用

在中枢神经系统中，胆碱能神经元的活动与动物高级的认知功能紧密相关，这些细胞功能的异常会导致多种人类精神疾病。来自基底前脑的胆碱能神经元广泛投射到大脑皮层感觉区域和嗅球等结构，它们是如何影响感觉系统对于刺激的编码和记忆的形成的呢？由于基底前脑的胆碱能神经元向嗅球提供大量的离心输入，本人提出运用最新的光遗传学及电生理记录等研究手段，探索胆碱能神经元的活动对嗅觉信息的调节作用。首先，在ChAT-ChR2-EYFP转基因小鼠中进行脑片的电生理记录，观察胆碱能纤维的激活对嗅球内部神经环路的影响。然后，使用在体细胞外记录的方法，观察胆碱能纤维的激活对嗅球中僧帽细胞、颗粒细胞的气味反应和气味选择性的影响。最后，在行为水平上研究胆碱能神经元的活动对嗅觉记忆的影响。这一研究方法新颖，它的完成有望增进人们对感觉信号的处理机制、中枢离心投射对行为的影响这两个问题的理解。

哺乳动物的嗅球接受大量来自于基底前脑斜角带核水平支HDB的胆碱能纤维投射，这些胆碱能神经元在嗅觉信息的处理和嗅觉记忆的形成中起到相当重要的作用。本课题利用光遗传学、电生理技术和动物行为学实验等多种方法，研究胆碱能神经元与嗅球细胞的作用方式，观察胆碱能纤维的激活对气味反应的影响，以期揭示胆碱能系统在嗅觉信号处理和嗅觉记忆中所起的作用。在项目执行期间，我们取得的主要研究进展为：（1）结合病毒介导的基因表达技术和传统的神经示踪实验，我们发现，基底前脑向嗅球提供输入的主要区域是HDB。而HDB的胆碱能神经元，其轴突进入嗅球后主要分布在外侧丛状层和内侧丛状层。（2）在HDB的胆碱能神经元上特异地表达ChR2-mGFP，可以在嗅球中观察到表达绿色荧光的胆碱能纤维末梢。短时程的蓝光刺激可以在嗅球的颗粒细胞上引起快速的内向电流，此电流可被nAChR的阻断剂所阻断。这说明胆碱能神经元与嗅球中的颗粒细胞形成兴奋性的突触联系，这个突触联系是由突触后的nAChR介导，而非谷氨酸受体介导。（3）胆碱能神经元通过作用于mAChR可以使得球旁细胞放电频率增加，谷氨酸和GABA受体的阻断剂不能阻断这一反应。在电压钳下，mAChR的激活可在球旁细胞上引起缓慢的内向电流，并使得球旁细胞sEPSC的频率增加而幅度不变。这表明胆碱能神经元通过激活mAChR增加球旁细胞的兴奋性，同时增加其接收的兴奋性输入。（4）通过特异性地损伤HDB的胆碱能神经元，我们发现胆碱能系统可以调节高浓度下动物对气味的分辨能力。经过三年的努力，我们完成了研究计划中胆碱能神经元对嗅球细胞以及其内部神经回路的作用的探索，发现了胆碱能神经元通过不同的机制与嗅球中的颗粒细胞和球旁细胞形成联系，从而调节嗅球内部的神经回路。本课题组通过此项目培养了研究生2名，发表论文1篇，另1篇论文正在审稿中。