中枢神经兴奋性突触稳态可塑性的超微结构机制

Synaptic homeostatic plasticity ensures the normal physiology and cognitive function of central neural circuits. However, the underlying cellular mechanisms, especially changes in subcellular organelles and the organization of molecular machinery at single synapse level, still remain unclear, largely due to limitations of conventional approaches. In the past few years, we have developed and applied new imaging techniques for structural dissection of neuronal synapses, and have established such platforms as super-resolution optical imaging, cryo-electron tomography, and correlative light and electron microscopy. These new techniques have allowed us to image synapses at resolutions from tens of nanometers to several nanometers, to resolve molecular localizations and ultrastructural details. Here, we propose to improve and apply these nano-imaging techniques, in combination with molecular manipulations, to study in cultured hippocampal neurons: 1) coordinated changes in the numbers, morphology, and the expression of pre- and postsynaptic proteins in different subtypes of excitatory synapses during homeostatic plasticity; 2) coordinated changes in pre- and postsynaptic ultrastructural features in different subtypes of excitatory synapses during homeostatic plasticity; 3) mechanisms underlying dynamic conversion among different synaptic subtypes during homeostatic plasticity. Through this study, we expect to discover ultrastructural basis underlying homeostatic plasticity and functional heterogeneity of neuronal synapses, and to provide new ideas for the understanding of related neurological and psychiatric disorders. This study is also an exploration of new approaches for the investigation of cellular neurobiological questions using ultrastructural imaging.

神经突触稳态可塑性是中枢神经环路实现正常生理与认知功能的保障。然而其精确的细胞机制，特别是在单个突触水平的细胞器与分子组织构架的变化，由于常规技术手段的局限，迄今仍鲜有研究。近几年来，我们针对突触结构解析发展了新的成像技术，建立了超分辨荧光显微、冷冻电子显微以及光电关联显微技术平台，可以以几十纳米乃至几纳米的分辨率，解析突触中的分子定位和亚细胞超微结构细节。本项目拟应用这些前沿显微成像技术结合分子生物学操控手段，以离体培养的海马神经元为模型研究中枢神经兴奋性突触在稳态可塑性中：1）形态、数量及突触前后分子表达与协同变化；2）突触前后亚细胞超微结构与协同变化；3）不同突触功能亚型之间的动态转化机制。通过这些研究，我们预期发现神经突触稳态可塑性和功能异质性的超微结构基础，为理解相关神经、精神疾病的发病机制提供新的思路，并探索利用超微成像技术研究细胞神经生物学问题的新途径。

神经突触稳态可塑性是中枢神经环路实现正常生理与认知功能的保障。然而其精确的细胞机制，特别是在单个突触水平的细胞器与分子组织构架的变化，由于常规技术手段的局限，迄今仍鲜有研究。近几年来，我们发展、整合了超分辨荧光显微、冷冻电子显微以及光电关联显微等前沿纳米成像技术平台，并着重应用于解析突触中的分子定位和亚细胞超微结构细节。在本项目的资助下，我们主要取得了以下成果和进展：1）基于自主搭建的超分辨成像技术及共聚焦成像方法，解析了与神经活动抑制诱导稳态可塑性相关的静默突触的结构特性及其在化学诱导的可塑性过程中的变化，并发现神经活动抑制在突触发育阶段对突触动态结构的影响；2）进一步优化和发展了多种光电关联显微成像技术方法，并运用光电关联技术，发现了稳态可塑性诱导的突触前致密核囊泡的差异性分布；3）发展并利用CryoET与三维图像处理技术实现了对突触受体蛋白的自动识别，并应用于突触受体蛋白的原位三维结构与组织分布规则的解析；4）利用单突触结构与活动荧光成像技术，发现周边谷氨酸在突触可塑性中的作用，并利用设计与NMDA受体特异性结合的多肽实现对突触的可塑性调节；5）结合电生理及高速钙荧光成像技术，发现神经网络中具有时序性重复发放模式的集群回响活动及其形成中的突触可塑性机制；6）在相关合作实验中发展优化了电压敏感性荧光探针。总之，通过资助工作的开展，我们达到了解析突触稳态可塑性结构机理的预期目标，并发展了一系列可广泛应用于研究细胞与神经生物学问题的新技术方法，同时积累了大量与稳态可塑性相关的神经突触超微结构与分子定量化描述数据。这些新发现、新技术方法和数据积累将有助于我们更进一步建立突触可塑性和功能异质性的计算模型，并进而理解学习记忆等高级脑功能和相关疾病的神经机理。