嗅球中僧帽和簇状细胞在嗅觉信息处理上差异的研究

Mitral and tufted cells in the mammalian olfactory bulb are principal neurons that transmit odor information from olfactory sensory neurons to olfactory cortex. The morphological studies suggest that the projection patterns of their dendrites and axons are different. However, there is no direct evidences of their functional differences since the lack of effective methods to specifically record and manipulate mitral and tufted cells. More importantly, while studies described their functions in anesthetized animals, proof in awake animals, especially in awake behaving mice remains lacking. . In this project, using transgenic mice, the optogenetics, fiber photometry, and in vivo multichannel extracelluar recordings, we will specially record mitral/tufted cells. In awake and behaving mice exposed to different behavioral paradigms, we will study their neuron responses to investigate their functional differences in odor identity, odor sensitivity, odor value, and plasticity in odor responsiveness. And by combing immunoflorescence technique and in vitro electrophysiological recordings to study their axon projection patterns. The results will indicate the functional differences between mitral and tufted cells in terms of olfactory information processing from single cell, cell population, and synapse transmission levels.

僧帽和簇状细胞为哺乳动物嗅球中的投射神经元，它们均接受嗅感神经元的输入，并将信息进一步传递给嗅皮层。形态学研究表明这两类神经元拥有不同的树突和轴突投射模式，但由于缺乏有效的特异性记录和操控僧帽、簇状细胞的实验方法，之前的研究没有直接证据证明这两类神经元的功能差异。更重要的是，以往的研究主要是在麻醉动物上，目前缺乏在清醒动物上，尤其是清醒动物行为学水平的实验证据。. 本项目拟利用转基因动物结合光遗传、光纤成像和多道信号在体电生理技术特异性记录僧帽/簇状细胞。通过记录不同行为范式下清醒行为状态小鼠嗅球僧帽、簇状细胞的反应，研究这两类神经元在气味表征、气味敏感性、气味价值及气味反应可塑性方面的功能差异。并结合免疫荧光和离体脑片电生理记录，研究两类神经元在嗅皮层的轴突投射。研究结果将从单细胞水平、细胞群体水平、突触传递水平以及行为学水平揭示僧帽和簇状细胞在嗅觉信息处理方面的差异。

啮齿类动物在清醒状态下，嗅球中嗅觉信息的表征很大程度上取决于脑状态和行为环境。有研究表明，嗅球中的主要输出神经元——僧帽/簇状细胞上在单细胞水平上存在学习依赖的神经元可塑性。但是在群体神经元水平，僧帽/簇状细胞气味表征是否依赖于任务需求仍不清楚。本研究主要使用光纤钙记录技术，从群体神经元钙活动水平研究了清醒头部固定小鼠中僧帽/簇状细胞在不同任务状态下的气味表征变化。结果表明，在两种气味都给予水奖励的go/go任务状态下，僧帽/簇状细胞对两种不同类型的气味的钙信号反应趋于一致。而在一种气味给予水奖励，另一种气味没有奖励的go/no go任务状态下，僧帽/簇状细胞对两种气味的反应表现出明显的分离。因此，僧帽/簇状细胞的气味表征依赖于任务需求。作为重要的嗅觉皮层，梨状皮层在气味表征和嗅觉学习记忆中发挥重要作用。我们的研究结果表明后梨状皮层锥体神经元上存在类似的神经元表征特点，但前梨状皮层锥体神经元没有类似的现象，这表明前、后梨状皮层有不同的神经元表征策略。另外，我们进一步探究了嗅球中的颗粒细胞在气味分辨学习中的气味反应变化。我们发现，气味诱发的颗粒细胞反应呈现一致的兴奋性反应。并且在气味分辨学习前后，颗粒细胞上存在学习依赖的气味反应可塑性，这提示颗粒细胞可能通过对僧帽/簇状细胞的环路调控介导了僧帽/簇状细胞的模式分离。这些研究结果对于理解嗅觉系统对嗅觉信息的处理并对高级脑区嗅觉相关的决策和价值编码有重要提示意义。