神经活动对小鼠眼优势发育的影响及其机制

Ocular dominance columns (ODC) in visual cortex are established model system for exploring how precise circuits develop in central nervous system and their sensory plasticity. Normal retinal activity and visual experience play an important role in visual map development. Monocular deprivation leads to shift in both anatomical and functional ocular dominance responses. Unlike humans and monkeys, visual cortex in mice lack ODC. In order to examine how retinal activity drives the development of ODC, we use optogenetic techniques to chronically manipulate binocular activities in mice. By changing the synchrony in binocular activity using light stimuli, we can observe the anatomical and functional changes in the visual cortex. Meanwhile, we can study the mechanism for changes in ODC caused by retinal activities with NMDA conditional knock-out mice. These experiments can provide direct evidence for how neural activities drive the development of visual maps, as well as potential therapies for ophthalmological diseases such as amplyopia.

视皮层眼优势柱是研究神经环路发育和可塑性的重要模型之一。正常的视觉神经活动是视觉通路发育的必要条件，视觉剥夺可导致视皮层细胞光反应及细胞形态的异常，阻碍视皮层眼优势柱的发育。和人类和猴子不同的是，小鼠的视皮层缺乏眼优势柱。为深入了解神经活动如何影响眼优势柱，以及其作用机制，本项目以小鼠为模型，用光遗传学技术长期控制双眼神经节细胞的活动，并通过改变光刺激在双眼的同步性，观察视皮层的眼优势解剖结构以及功能性结构的变化。同时，用NMDA受体视皮层敲出小鼠研究神经活动作用于眼优势柱的机制。通过这些实验，能深入了解神经活动在视觉通路发育过程中的作用及其机制，为纠正弱视等视觉功能异常提供实验依据。

外膝体是接受视网膜投射的主要成像视觉中枢，作为中继核团与视觉皮层有相互连接。我们利用Tra2ß;Emx1-Cre小鼠建立了一个“cortexless“小鼠模型，该小鼠的包括视皮层在内的大部分皮层缺失，剩余的小部分皮层也存在分层的缺陷。有意思的是，我们发现该小鼠的视网膜到顶部外膝体投射完全消失。通过在体电生理、在体钙成像、视觉环路投射连接等实验，我们证明了小鼠视觉通路的这种缺陷是由于视皮层和外膝体间的投射缺失造成的。视觉行为实验结果表明，Tra2β条件性敲除小鼠的朝向分辨率比正常小鼠差，进一步证实了视觉环路缺陷。此外，我们还进行了视皮层损伤实验和Fezf2;Emx1-Cre小鼠实验，发现视网膜到顶部外膝体的投射同样发生了异常。这一系列实验表明，视皮层和外膝体间的连接对于离视网膜环路的发育具有决定性作用,结果发表在Cerebral Cortex上。同时，我们发现激活PV视网膜神经节细胞能抑制视皮层细胞的活动，并增强视皮层细胞的方向选择性，结果发表在Neuroscience Bulletin上。这一系列实验为系统开展视觉环路的发育和功能的研究奠定了基础。项目执行期间发表论文4篇，其中通讯作者论文3篇，另有一篇文章正在修回中，多篇文章在投稿或准备投稿中，圆满完成项目设定的科研任务。