雪貂大脑皮层同克隆群姐妹神经元间神经环路的发育特性

The sulcus structure on cerebral cortex is a unique feature of higher mammals such as human and monkey. Many previous studies showed that the development of cerebral cortex on higher mammals is different with rodents which have smooth cerebral cortex. It is difficult to get higher mammals fresh brain tissues, because of long embryonic stage, less embryos and so on. Therefore, little is known about how higher mammals develop the neural circuits. In the present proposal, we will explore the developing characteristics of microcircuits on ontogenetic radial columns at higher mammal (ferret). We will develop retroviral system which expressed Channelrhodopsin-2 (ChR2) to label the excitatory ontogenetic sister neurons. The functional organization of individual sister clones will be studied by electrophysiology (e.g. multi-electrode whole-cell patch clamp recording) and lasers scanning microscopy. We will also explore the circuit mapping of the excitatory ontogenetic sister neurons on ferret cortical slice by ultraviolet uncaging of glutamate, and thus to further determine how the integrative properties of local radial clone circuits to support the processing of information. In summary, we will systematically address the following scientific questions in this grant application: (1) the 3D distribution of ontogenetic radial columns in ferret cerebral cortex; (2) the developing characteristics of microcircuits on different types of ontogenetic radial columns; (3) the circuit mapping of the excitatory ontogenetic sister neurons.

大脑皮层的沟回结构是人和猴等高等哺乳动物的独有特性。研究表明，有沟回结构的大脑皮层较啮齿类（小鼠等）平滑大脑皮层具有其独特的发育特性。但因高等哺乳动物活体脑标本难以获得，因此目前我们对沟回脑皮层神经环路发育特性知之甚少。在本项研究中，我们引入具有沟回脑皮层结构的雪貂来研究兴奋性同克隆神经元群间神经环路的发育特性。在本项研究中，我们将携带光敏感基因片段的逆转录病毒注入到雪貂胚胎脑室中从而标记出兴奋性同克隆神经元群。然后，利用多通道膜片钳结合激光扫描刺激技术记录雪貂脑皮层同克隆神经元群间形成的电突触和化学性突触环路联系，以及利用紫外激光敏感的笼锁化合物来绘制所记录同克隆神经元群脑皮层神经网络图谱。通过本项研究，我们拟系统阐明：（1）同克隆神经元群在沟回脑皮层中的3D分布特性；（2）不同类型同克隆神经元群电突触和化学性突触环路的发育特性；（3）同克隆神经元在脑皮层中的网络图谱特点。

在本项研究中，我们主要完成两项研究任务。首先，我们系统地研究了雪貂大脑皮层同克隆姐妹神经元间神经环路的发育特性。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）确定雪貂脑皮层中兴奋性同克隆神经元之间的电突触和化学突触联系发育特点；（3）系统比较了雪貂脑皮层中脑沟部和脑回部同克隆神经元群间神经环路发育时间窗口和联系概率的差异。.其次，揭示了雪貂大脑皮层沟回结构形成的细胞机制。有沟回的脑皮层是进化过程中高等哺乳动物特有的结构，是脑高级功能形成的重要基础。研究表明高等哺乳动物皮层发育过程中特有的外室管膜下区可能在沟回结构的形成过程中起关键作用。然而在皮层不同区域的外室管膜下区其神经元活动差异性及其细胞机制尚未被阐明。本课题以具有沟回脑皮层结构的雪貂作为模式动物，用逆转录病毒标记相邻皮层的外室管膜下区干细胞，比较干细胞数目、分裂速度、迁移活动探索脑沟回形成相关的外室管膜下区细胞机制。我们的研究结果表明：（1）雪貂大脑在出生后7-8天（P7-8）出现了沟回结构;（2）雪貂大脑皮层神经干细胞在P3时沟部区域的密度显著高于回部密度;（3）雪貂大脑皮层潜在发育为回部干细胞的细胞周期显著短于沟部的干细胞;（4）迁移细胞在回部和沟部的迁移轨迹具有显著差异。