阿尔茨海默症大鼠海马—前额叶Gamma节律在认知障碍中的神经损伤机制与调控研究

Alzheimer’s disease (AD) is an irreversible, highly progressive neurodegenerative disease. Clinically, AD initially manifests as subtle but progressive impairments in cognition and memory, which is of high risk on patients’ life and living quality. Thus, it is necessary to study the mechanisms in neural dysfunctions and regulation methods urgently. In this project, we design a spatial location goal-directed learning and memory task, and record in vivo local field potentials and spiking activities from neurons in the hippocampus and prefrontal cortex during behavior task. By applying multiple methods of neural signal processing, we investigate the coordinated firing patterns between hippocampal place cells and prefrontal excitatory neuron ensembles during slow and fast gamma rhythms, and determine the role of these two types of gamma rhythms in memory encoding, retrieval and replay. We aim to uncover the mechanisms of gamma dysfunctions in uncoordinated hippocampal-prefrontal neural activities, and find the network target in different memory processes. Importantly, we investigate the precise regulating pattern to rescue the cognitive deficits in AD by deep brain stimulation in slow and fast gamma frequencies. This important study provides scientific evidence and technical support for pathology diagnose and neural regulation in clinical practice.

阿尔茨海默症（Alzheimer’s Disease，AD）是一种早老性退行神经疾病，临床主要表现为患者认知与记忆功能障碍，严重威胁患者的生命安全和生活质量，其神经损伤机制与调控手段研究刻不容缓。本项目拟通过特定空间位置为目标导向的大鼠学习与记忆实验，应用多通道在体神经电生理采集技术记录海马和前额叶皮层局部场电位与神经元放电活动，结合多种神经信号解码和神经节律分析方法，旨在阐明海马CA1区位置细胞集群与前额叶皮层兴奋性神经元集群在快和慢gamma节律协调下的协同放电模式，明确两种gamma节律在记忆编码、提取与记忆回放功能中的特定调节机制；揭示AD模型大鼠中两种gamma节律对双脑区调节缺失的神经损伤机制，确定其在不同记忆阶段的神经网络损伤靶点；探索快和慢gamma节律外源刺激改善AD认知功能障碍的精准调控模式与机制，为临床AD病理诊断和神经调控提供基础科学依据与技术支持。

认知与记忆功能障碍是AD患者的主要临床表现，严重威胁患者的生命安全和生活质量。面对AD患者数量的与日俱增，迫切地需要找到行之有效的临床早期诊断指标和治愈手段。本项目旨在通过设计以空间位置为目标导向的大鼠学习与记忆实验，研究正常大鼠海马CA1区—前额叶皮层协同性序列放电模式的gamma节律编码特性，着重探讨AD模型大鼠中海马—前额叶gamma节律的异常表征及其失调双脑区序列放电模式的损伤机制，确定gamma节律相关的神经网络损伤靶点，开发外源刺激策略对AD模型大鼠进行精准神经调控，以期有效地改善其记忆与认知功能障碍。未来可有针对性且更高效地应用神经节律诱导方法作为AD的新型治愈疗法，为AD患者提供连续有质量的医疗服务。受本项目支持，共发表SCI期刊论文9篇，EI会议论文6篇，核心期刊论文2篇；其中中科院一区论文1篇，二区论文4篇。其中包括顶级期刊《Nature Communications》和《Cerebral Cortex》，以及神经科学领域重要期刊《Cognitive Neurodynamics》，《Frontiers in Neuroscience》，《Frontiers in Aging Neuroscience》，《Progress in Biochemistry and Biophysics》，《Acta Physiologica Sinica》，《Neuromolecular Medicine》和《Journal of Sleep Research》等。成功获批2项国防创新特区重点项目、1项国家重点研发计划项目课题、1项国自然面上项目、2项天津市自然科学重点和面上项目，作为子课题负责人参与科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大专项、临港实验室-中国航天员中心人因工程国家级重点实验室“求索太空脑计划”项目，承担总合同经费2395万元。2019年获得中国工程院授予的“中国工程前沿杰出青年学者”称号，2020年获批天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才。任天津脑科学与类脑研究中心副主任和天津市脑科学与神经工程重点实验室常务副主任。申请人现担任《生物医学工程学杂志》青年编委，及多个领域内重要期刊的审稿人，先后受邀于美国圣地亚哥和清华大学做学术报告，掌握国内外相关研究的最新动态，与多个国际性研究团体建立紧密的联系，有利于更好的开展本项目工作。