乳头体神经环路的连接组与功能研究

The mammillary bodies are implicated in memory formation and their structure and function are highly conserved from rodents to human. Mammillary body atrophy or lesions, as well as damage to their efferent or afferent fiber tracts, lead to impairment of spatial memory and recall. However, limited investigation has been done to elucidate their development, structure and function. Using newly established genetic mouse model, incorporating multidiscipline approaches, we plan to investigate mammillary circuit from its connectivity to functionality. We aim to build a cellular resolution map of mammillary circuit in the mouse brain, validate and characterize its connection properties using imaging and electrophysiology, quantify developmental changes and how its activity changes affect memory, thus illustrate its function in memory, especially spatial memory.

记忆是大脑最基本和最重要的高级功能之一，位于间脑的乳头体与记忆功能密切相关。乳头体及其传入或传出投射的损伤在病人和动物模型中均造成记忆障碍，对情节记忆和回忆的影响尤为严重，其结构和功能在从啮齿类到非人灵长类动物以及人类的进化保守性也佐证其重要性。但作为最早与失忆症联系起来的脑区之一，乳头体及其环路的发育、结构和功能研究至今仍不够深入。本项目以新建遗传小鼠模型为基础，深入研究乳头体及其所在记忆环路，在细胞分辨率水平全脑追踪乳头体的上下游投射，检测其环路活动特点和生理功能及在发育中的成熟过程以及活性改变对动物行为的影响，揭示其在空间记忆中的作用。通过本项目研究，在乳头体及其记忆环路领域获得突破性进展，形成有国际竞争力的研究团队。

乳头体是位于下丘脑腹侧的重要核团，在哺乳动物中进化保守，在记忆和情感等脑功能中发挥重要作用，但过去受阻于技术手段，对其发育和环路研究较为匮乏。为支撑本项目研究，我们创建和验证了多系统组合的神经元类型标记策略，制作和应用了多种新型转基因小鼠和环路示踪病毒工具，建立和测试了在清醒行为动物中进行深脑光纤钙信号记录和同步行为监测的系统。通过本课题的研究，我们在发育方面利用逻辑取交小鼠模型对乳头体神经元发育的时空起源进行追踪，揭示出乳头体前体细胞的分化潜能随胚胎发育逐渐局限、神经元产生总体呈现由外而内的发育模式，利用基因敲除揭示出在前体细胞中特异表达的转录因子Fezf2在乳头体对丘脑前核与被盖核投射的建立中不起关键作用；在环路方面，结合转基因小鼠、透明脑成像和病毒环路示踪技术，绘制了介观水平的乳头体连接图谱，揭示出乳头体内侧核不同分区中神经元的轴突投射具有显著差异和拓扑规律，并利用全细胞膜片钳记录观察到这些神经元在膜特性和放电模式上高度异质，证明乳头体内侧核中存在环路连接和电生理特性彼此迥异的多种神经元亚型。