利用光遗传学技术研究脑缺血后纹状体GABA能神经元对神经干细胞增殖和分化的调节作用

Ischemic stroke induces endogenous neural stem cell (NSC) proliferation and migration toward the ischemic area. However, such endogenous effort is not sufficient to compensate neuronal function lost caused by ischemia. Exogenous NSC transplantation is a promising method to promote neurogenesis and neuroplasticity and augment neuronal function. Currently, the mechanism by which the proliferation, migration and differentiation of NSC, and integration of NSC into the perifocal region of the ischemic brain is unsolved. Our previous study had shown that striatum GABAergic neurons regulate multiple steps of NSC proliferation and differentiation. But the detailed mechanisms remain unclear. Using mice ischemic stroke model, combined with optogenetic techiniques, we will specifically target striatum GABAergic neurons using lentivirus mediated gene transfer of ChR2 or NpHR light-sensing channel proteins. The specific aims of this project are: 1) to investigate whether light-controlled activation or inhibition of striatum GABAergic neurons improve neurological outcome of the animal; 2) to study how striatum GABAergic neurons regulate the proliferation and migration of endogenous NSCs after ischemic stroke; 3) to investigate whether activation or inhibition of striatum GABAergic neurons regulate the proliferation and differentiation of transplanted NSCs. Result from this work will shed light on the mechanisms of neurogenesis and neuroplasticity after ischemic stroke.

脑缺血可以诱导内源性神经干细胞（NSC）的增殖和迁移，但是内源性的修复不足以补偿神经功能的损失。利用干细胞治疗促进神经再生和神经重塑从而促进脑功能修复，是脑缺血研究的重要方向之一。目前，对于内源性NSC或者移植的NSC在缺血脑中的增殖、迁移、分化和整合的调节机制尚未解决。我们的前期研究发现纹状体GABA能神经元参与NSC增殖和分化的调节，但其作用机制尚不清楚。本项目以小鼠大脑中动脉缺血为模型，利用光遗传学技术实现慢病毒介导的ChR2或者NpHR光感蛋白的基因GABA能神经元特异表达，对其进行光控激活，研究纹状体GABA能神经元的兴奋1）对脑缺血后小鼠运动功能恢复的影响；2）对内源性NSC的增殖和分化的作用及机制；3）对移植的NSC的增殖和分化的作用及机制。本项目的研究结果将为我们了解脑损伤后神经再生的调节机制提供新的理论基础。

脑缺血可以诱导内源性神经干细胞（NSC）的增殖和迁移，但是内源性的修复不足以补偿神经功能的损失。利用干细胞治疗促进神经再生和神经重塑从而促进脑功能修复，是脑缺血研究的重要方向之一。但干细胞移植治疗存在移植细胞存活率低、与原有系统的整合差等问题。理解内源性NSC或者移植的NSC在缺血脑中的增殖、迁移、分化和整合的调节机制对发展卒中治疗新方法至关重要。我们的前期研究发现纹状体GABA能神经元参与NSC增殖和分化的调节，但其作用机制尚不清楚。本项目以小鼠脑缺血为模型，利用光遗传学技术实现慢病毒介导的光感蛋白的基因GABA能神经元特异表达，对其进行光控激活或抑制，研究纹状体GABA能神经元活性对脑缺血后小鼠运动功能恢复的影响以及对内源性和外源抑制的NSC的存活和增殖的影响及作用机制。.经过本项目四年的研究，我们发现，抑制纹状体神经元活性明显促进了动物神经功能的恢复和内源性干细胞的增殖，而激活纹状体神经元的作用则相反。我们发现GABAa受体抑制剂bicuculline能够挽救光控激活纹状体神经元对SVZ神经再生的抑制作用。从而明确了GABAa受体在调控SVZ神经干细胞损伤应激再生中的重要作用。移植NSC可以减小脑损伤，促进神经功能恢复；在移植NSC后抑制纹状体神经元的活性进一步减小了脑损伤和促进了神经功能恢复；相反地，在移植NSC后激活纹状体神经元抵消了移植NSC的有益作用。在移植NSC后抑制纹状体神经元的活性能够促进移植NSC的存活和迁移。提示抑制纹状体神经元的活性对内源性神经再生和外源性神经再生均有促进作用。利用转基因小鼠，我们特异性地研究了GABA能神经元活性在脑损伤后组织保护和组织修复中的作用，研究揭示了GABA能神经元能够通过星形胶质细胞来调节血管内皮细胞分泌bFGF的水平，从而促进血管新生并抑制细胞凋亡。.本研究揭示了神经血管单元在信号调控及神经功能调控中发挥了重要的作用，脑缺血后纹状体神经元，尤其是GABA能神经元的活性在脑组织保护和组织结构及功能恢复方面起到多方面的作用，而且这一作用是通过其与胶质细胞和内皮细胞的紧密交流而实现的。这为发展新的卒中临床治疗策略提供了新的理论数据。研究结果发表SCI论文15篇，其中两篇发表在本领域的顶级杂志Stroke和JCBFM上，属国际前沿研究。