蓝斑去甲肾上腺素能神经元对视觉运动功能的调节

As the main source of norepinephrine (NE) in the central nervous system, the locus coeruleus (LC) extensively innervates almost all brain regions and plays important regulatory roles in many physiological processes, such as sensory processing, memory, arousal and attention. However, it is still unclear how the LC-NE system responds to external cues, dynamically releases the NE and thus regulates the function of downstream neural circuits. In this proposal, taking the advantage of the embryonic transparency and small number of LC-NE neurons, we are going to use larval zebrafish to study how the LC-NE neurons respond to visual cues and regulate visual processing in the optic tectum, the visual center in teleosts. We will use multiple in vivo techniques to examine the responses of each LC neuron to light stimul, and investigate the pattern of NE release under differential brain states. Furthermore, we will focus on the visuomotor circuit and examine the modulatory roles of the LC-NE system in the sensing of visual information and the execution of motor behaviors. This study will provide deep insights for understanding the mechanism of the LC-NE system's functions.

作为中枢神经系统中去甲肾上腺素（norepinephrine, NE）的主要来源，蓝斑（locus coeruleus, LC）神经元轴突广泛投射至几乎所有的脑区，调节感觉加工、记忆、觉醒、注意等诸多生理功能。但是，关于LC-NE神经系统如何感知外界环境变化、释放NE递质并调节下游神经环路的机制还不清楚。幼年斑马鱼大脑结构简单且透明，易于在体观察神经系统形态结构和神经活动；且其LC核团只有约20个神经元，易于解析每一个细胞的轴突投射及其功能。本项目拟以幼年斑马鱼为模型，通过多种在体研究手段，以视觉信息加工为切入点，在全脑尺度上研究LC神经元对视觉刺激的反应及其轴突末梢的NE递质释放；并进一步研究LC-NE系统对视顶盖视觉-运动信息处理的调节作用。本项目研究将会加深我们对LC-NE神经调质系统的基本工作原理的认识。

作为中枢神经系统中去甲肾上腺素的主要来源，蓝斑神经元轴突广泛投射至几乎所有的脑区，调节感觉加工、记忆、觉醒、注意等诸多生理功能。但是，关于蓝斑去甲肾上腺素系统如何被激活、释放去甲肾上腺素并调节下游神经环路的机制还不清楚。我们利用斑马鱼蓝斑神经元功能保守、数目稀少的特点，重构了165个蓝斑神经元的结构形态，并记录其电生理特性，发现不同蓝斑神经元具有广泛的轴突投射且神经活动高度同步，这一结果说明轴突投射异质性的蓝斑神经元通过同质性的激活可导致去甲肾上腺素在全脑的均匀释放，从而实现对全脑各脑区的全局调节。此外，通过对单个蓝斑神经元在全脑尺度上轴突末梢的钙成像，我们发现动作电位可从蓝斑神经元胞体有效传播到各个轴突分支，并激活分布在不同脑区的所有突触前末端，这一结果揭示了神经元信号在复杂轴突上的传递特性，以及蓝斑去甲肾上腺素系统对不同脑区均质调控的亚细胞水平机制。此外，我们首次建立了斑马鱼静脉麻醉动物模型，并且利用CRISPR/Cas9技术建立了去甲肾上腺素缺失的斑马鱼突变体，发现去甲肾上腺素能蓝斑神经元在麻醉诱导及苏醒过程中重要的调节作用。这项工作为全身麻醉药作用的神经机制研究提供了新的动物模型，并在环路水平和行为层面揭示了蓝斑去甲肾上腺素系统调节麻醉状态的机制。这一系列工作解析了蓝斑去甲肾上腺素调质系统的基本组织逻辑和功能特性。.在本项目的支持下，我们还研究了胶质细胞在视网膜自发活动波的调节作用，发现胶质细胞在神经环路早期发育过程中可主动参与视网膜的功能调节。此外，我们开发了一种新型纳米电压探针，该探针可被近红外光激发，具有极佳的热稳定性，适用于长时间检测活体动物的电压信号，这一成果极大拓展了纳米材料在神经生物学上的应用，也为设计用电压敏感探针提供了全新思路。