丘脑POm核团投射信息在第一躯体感觉皮层Layer 5a锥形细胞上的整合机制

The posterior medial nucleus (POm), one of the most representative nonspecific sensory nucleus in mouse thalamus, is vital in nonspecific sensory information transmission and regulation, while the way POm mediated sensory information integrates in cortical neurons is still to be elucidated. In the primary somatosensory cortex, the axons of POm site mainly in layer 1 and layer 5a, where POm projectional axons connect with layer 5a pyramidal neurons. The complicate "bilayer" style of POm innervation onto single layer 5a pyramidal neurons suggests the specific way POm mediated sensory information integrates in layer 5a pyramidal neurons. In this research, we will apply optogenetic technique and electrophysiology methods to identify details of processes involved in the integration of POm mediated sensory information in layer 5a pyramidal neurons with three distinct goals: 1)to indentify the different properties of POm sensory inputs in layer 1 and in layer 5a. 2) to reveal how POm mediated sensory information integrates in layer 5a pyramidal neurons. 3) to elucidate the way POm mediated nonspecific sensory information integrates with layer 4 mediated specific sensory information in layer 5a pyramidal neurons. Our research will not only benefit our understanding of the crucial role POm plays ,but also promote the clinical research in brain defects related diseases.

丘脑后内侧核团(posterior medial nucleus, POm)是小鼠丘脑中一个具有代表性的非特异性感觉核团，在非特异性感觉信息传递和信息调控中发挥非常重要的作用。POm在第一躯体感觉皮层上的主要输出对象是layer 5a锥形细胞，其投射轴突主要分布于layer 1和layer 5a，并能同时在这两个位置与单个layer 5a锥形细胞形成突触联系。这种复杂的双层投射方式决定POm投射信息在layer 5a锥形细胞上的特殊整合性质，但其机制还不清楚。本课题综合应用光遗传学、膜片钳等技术手段，拟系统性阐明以下问题： 1）从layer 1和layer 5a输入的POm投射信息的不同性质；2）从layer 1和layer 5a输入的POm投射信息在layer 5a锥形细胞的整合机制；3）POm的非特异性感觉信息和layer 4的特异性感觉信息在layer 5a锥形神经元的整合机制。

根据在突触联系中的作用和释放的神经递质，可以将大脑皮质神经元主要分为谷氨酸能兴奋性神经元（如锥体神经元）和γ-氨基丁酸能抑制性神经元（如中间神经元）。γ-氨基丁酸能中间神经元存在多种亚类，不同亚类在起源、分子学特性、电生理学、形态学等方面存在很大的差异，而且不同的γ-氨基丁酸能中间神经元亚类会形成差别很大的抑制性环路。目前，脑皮质抑制性环路研究还存在诸多尚未解决的重要问题，如：各种特定的抑制性环路是怎样在发育过程中建立起来的？它们在发育过程中各有怎样的特性？.小鼠皮层中一类表达生长激素抑制素(somatostatin，SST)中间神经元的轴突选择性地投射到锥体神经元(pyramidal neuron，Pyr)的树突上，发挥抑制性调节作用。SST+（SST-expressing）中间神经元的各种生物学特性都与近胞体抑制的中间神经元（多表达parvalbumin）相差很大，但因为在成年小鼠皮层中SST+中间神经元引起抑制性突触后电位的幅度较小，因而SST+中间神经元在大脑神经环路中的作用一直受到忽视。在本课题中，通过运用多通道膜片钳系统和转基因小鼠结合药理学、分子生物学、免疫组织化学等方法，研究SST+中间神经元对锥体神经元抑制性环路的发育特性以及该发育过程是如何建立的。我们发现SST+中间神经元向锥体神经元突触连接的幅度，在小鼠睁眼1-2天（P14-P15）内剧烈的降低。而在暗箱中饲养或者进行眼皮缝合处理的小鼠，这种发育过程可以被逆转，即突触连接的幅度不再降低。这表明SST+中间神经元的抑制性环路在睁眼后的快速变化是受到视觉输入调节的。更有趣的是，我们发现参与SST-Pyr突触的GABAA受体α5亚基在睁眼后的表达量显著降低，而且GABAA受体α5亚基在SST-Pyr突触联系上的参与程度也降低了。.我们的研究首次揭示SST+中间神经元与锥体神经元之间存在一种特殊的抑制性环路早期发育模式，并且暗示SST+中间神经元参与的抑制性环路在睁眼后受到了视觉输入的调节。本项目将促进对于大脑皮质神经环路的特性和建立机制的研究。