Cdk5调控视觉可塑性的神经分子机制

The restoration and enhancement of neural plasticity in adults is an effective way to treat adult amblyopia, neurodegenerative diseases and brain injury. Cdk5 plays an important role in brain development and neural plasticity, and is considered to be an interesting target for the treatment of various neurodegenerative diseases. However, the physiological role of Cdk5 in the central nervous system, especially in the visual system is not clear. In the present study, we found that Cdk5 may be a limiting factor for the critical period of visual plasticity. With the combination of immunohistochemistry, in vivo electrophysiological and optical imaging, the conditional expression of virus, we explore how Cdk5 regulates the ocular dominance plasticity in vivo and synaptic plasticity in vitro(LTP/LTD and iLTD) in the primary visual cortex during the development, and determine which subtype of neurons play the key role in it. with the help of self-made miniature fluorescence microscope, we can observe the calcium responses of neuron subtype s in freely moving mice and study how they contribute to visual plasticity in physiological condition. With the patch clamp recording and pharmacological methods, we further study on the molecular pathway underlying the modulation of Cdk5 on plasticity. We will focus on the new signaling pathway – inhibitory circuit. These studies not only help to understand the contribution of Cdk5 to adult plasticity, but also provide a theoretical basis for the treatment of adult amblyopia with Cdk5.

神经可塑性在成年个体的恢复与增强被认为是治疗成年弱视、神经变性病和脑损伤等患者功能损伤的有效途径。Cdk5在脑发育和神经可塑性中发挥着重要作用，被认为是治疗多种神经退行性疾病的有效靶点。目前Cdk5在中枢神经系统，尤其视觉系统中的生理学功能并不清楚。我们已有结果发现Cdk5是视觉可塑性关键期的限制因子。结合免疫组化、在体电生理、光学成像、病毒条件表达等技术研究Cdk5在发育过程中对初级视觉皮层神经元的眼优势可塑性、突触可塑性的贡献，结合研发的微型荧光显微镜直接观测不同亚型神经元在自由活动的小鼠上发放并研究神经元亚型对可塑性的作用。进一步通过药理学等手段研究Cdk5调控可塑性的分子信号通路，着重研究Cdk5调节皮层兴奋和抑制环路的机制。这些研究不仅有助于了解Cdk5对成年可塑性的贡献，也可为成年弱视治疗找到新的途径。

我们之前工作表明Cdk5抑制剂可以恢复成年动物的眼优势可塑性，并伴随着NR2B表达上升、GAD表达下降以及视皮层脑片iLTD的恢复等现象。在此基础上，通过对视皮层中主要兴奋性神经元和三种抑制性（PV、VIP和SST）神经元中的Cdk5分别进行特异性敲减，发现只有PV神经元中的Cdk5对成年可塑性的恢复起着关键作用。通过脑片膜片钳记录进一步发现PV神经元在Cdk5敲减后活性下调，表现为静息膜电位下降，阈值电流增加。而施加CB1受体抑制剂阻断兴奋性神经元所接收抑制性输入的iLTD，可以阻止Cdk5抑制剂诱导的成年可塑性恢复。成年视觉可塑性的提高是治疗成年弱视的关键，因此PV神经元中Cdk5通过调控抑制环路促进成年可塑性的恢复，可作为新的药物靶点以避免Cdk5广谱抑制剂的副作用。通过在关键期幼年动物上的实验发现Cdk5未调控视皮层神经元的基本特性，其敲减也不能增强关键期中的视觉可塑性。通过搭建新的早期慢性温和应激模型（成年动物不会有抑郁或焦虑异常），不仅验证了成年视皮层中NR2B亚基表达增加有助于成年可塑性的恢复，还首次探索了应激系统和视觉感知系统间的相互作用。发现早期不良经历会对视觉系统发育产生长期影响：发育早期会延缓GABA抑制系统的成熟从而延缓关键期的开启，而发育晚期则延缓NR2B表达的下降从而延缓关键期的关闭；成年雌性小鼠维持着关键期中相似的NR2B表达和眼优势可塑性；我们还证明这种成年雌雄动物间的差异是由雌激素-NR2B通路所介导的。此外，疫情隔离期间探索了这种应激刺激对人群心理的影响，发现青少年比年长者的压力和抑郁指数显著增加，复工比未复工人群心理更健康，而外出活动比其它措施更有利于缓解隔离带来的心理压力。最后解决了大脑深部脑区显微成像所必须的Grin透镜耗材瓶颈问题，发表文章并申请专利获批，将有利于更多用于活体自由移动动物的国产显微成像系统的开发和应用。