大脑皮层同克隆兴奋性神经元与中间神经元形成环路的发育特性

The neuronal circuits which composed of glutamatergic excitatory neurons and GABAergic inhibitory interneurons are crucial in establishing the functional balance, complexity, and computational architecture in the mammalian neocortex, while little is known about how these two kinds of neuron formed the functional synaptic circuits. In this research, we will develop RFP-retroviral system which expressed Channelrhodopsin-2 to label the excitatory ontogenetic sister neurons and their neighbor interneuron. We will analyze the functional organization of individual sister clones and their neighbor interneuron being labeled using state-of-the-art imaging (e.g. lasers scanning microscopy) and electrophysiology (e.g. multi-electrode whole-cell patch clamp recording) approaches and link these processes to functional circuit formation in the neocortex. Our research will not only provide fundamental insights into circuits' development between interneuron and pyramidal cell and greatly advance our understanding of the functional organization of the neocortex, but will also shed light on the etiology of many devastating brain disorders.

锥体神经元与中间神经元相互作用对大脑皮层功能的稳态平衡和信息加工处理中发挥着关键作用，但这两类神经元间是如何形成神经环路及处理信息的机制目前尚不清楚。在本项研究中，我们将携带光敏感基因片段Channelrhodopsin-2（ChR2）的逆转录病毒（表达YFP或RFP）注入到GAD67-EGFP转基因小鼠胚胎脑室中从而标记出表达光敏感蛋白ChR2的兴奋性同克隆群姐妹神经元以及与其同功能柱的中间神经元。然后综合利用多通道膜片钳和激光刺激技术记录兴奋性同克隆群姐妹神经元与中间神经元间形成的神经环路。通过本项研究，我们拟系统地阐明：（1）兴奋性同克隆群姐妹神经元与同功能柱中间神经元间神经环路的发育；（2）同克隆群姐妹细胞是否优先与同功能柱中间神经元形成突触环路；（3）兴奋性同克隆群姐妹神经元与不同类型中间神经元间形成环路的特点。这些研究结果将有助于了解脑皮层兴奋性与抑制性神经元间形成环路的特性。

在本项研究中，我们主要完成两项研究任务。首先，阐明大脑皮层同克隆兴奋性神经元与中间神经元发育特性。主要研究成果包括：（1）成功制备了高效价、高亮度的 pUX-ChR2-EGFP逆转录病毒；（2）阐明同克隆群兴奋性神经元与中间神经元形成突触环路的时间窗口；（3）证实姐妹兴奋性神经元较非姐妹神经元更倾向于同时接受邻近中间神经元突触联系。. 其次，揭示了睁眼过程可调控在发育视觉皮层中Somatostatin阳性中间神经元（SST-INs）到锥体细胞（PCs）突触联系。在发育过程中，睁眼后视觉皮层不仅接受了较闭眼时期更强的视觉输入，更重要的是需要整合图形的精细视觉输入。睁眼对视觉皮层神经环路的发育具有重要意义，然而睁眼是否可以精确调节特定中间神经元突触环路发育的影响目前还知之甚少。另外，在脑皮层中SST-INs作为一类主要中间神经元，目前对其与兴奋神经元环路发育特性目前还不是很清楚。我们的研究表明：（1）在小鼠睁眼期视觉皮层2/3层SST-INs到PCs突触输入强度减弱，然而SST-INs对其它中间神经元的抑制性输入并无显著改变；（2）小鼠睁眼行为调控了SST-INs到PCs突触输入强度的减弱；（3）睁眼期SST-INs到PCs突触输入强度的减弱与突触前囊泡释放位点数目和突触后量子规模相关；（4）突触后α5-GABAARs参与了睁眼过程调控SST-INs到PCs抑制性强度的减少。我们的研究成果揭示了在小鼠睁眼期中间神经元环路的独特发育特性，进一步阐明睁眼行为对视皮层SST-IN抑制性输出发育的重要作用。