嗅球外网状层VIP中间神经元在气味信息表征中的作用及机制研究

VIP (vasoactive intestinal peptide) expressing interneuron is one of the one of the GABAergic inhibitory neurons. It plays important roles in sensory information processing, formation of critical neural circuits during the brain development, and retaining of the memory. In the olfactory bulb (OB), the first center of the olfactory system, dense VIP interneurons are found in the external plexiform layer. These neurons synapse with mitral cells, which are main output neurons of the OB, indicating that they likely play crucial roles in odor representation of the OB. However, while it is found that the VIP interneurons in the external plexiform are involved in producing circadian rhythms of the OB, the researches on their function in odor information representation and perception are lacking. Here, we will systemically and intensively study this topic at different levels from neuron to behavior by combining optogenetics, in vivo multi-channel electrophysiological recordings, patch clamp, odor discrimination-related behavior, and calcium fiber photometry. After we describe the basic electrophysiological properties of the VIP neurons in the OB, we will further investigate the effect of these neurons on the mitral cells and underlying mechanism, their function in odor representation, and their importance during the odor discrimination of the behaving mice. The results will reveal new clue on the details of odor information encoding by the neural circuits in the OB, and provide new information on the function of the VIP interneuron in the whole brain.

VIP（Vasoactive intestinal peptide）中间神经元是GABA能抑制性神经元的一种，在皮层的感觉信息处理、发育过程中关键环路的形成以及记忆的保持等方面起到重要作用。在嗅觉系统第一级中枢嗅球，大量VIP中间神经元集中分布于外网状层，并与嗅球的主要输出神经元僧帽细胞形成突触联系，提示其在嗅球的气味表征方面起关键作用。然而，目前并没有相关研究。本课题拟结合光遗传技术、清醒动物多通道在体电生理记录、脑片膜片钳、气味分辨的行为学检测以及光纤钙成像技术等对该课题进行多层次系统研究。我们将在描述嗅球外网状层VIP中间神经元形态及基本电生理特性基础上，深入探讨其对嗅球僧帽细胞的调控作用及机制、在气味表征中的作用以及在动物气味分辨过程中的作用。研究结果一方面能揭示嗅球内部神经环路对气味表征和编码的细节提供新的线索，另一方面也能为脑内VIP中间神经元的功能提供新的认识。

对感觉系统研究的一个核心问题是阐明特定神经环路如何表征外界感觉刺激。对于嗅觉系统而言，嗅球作为嗅觉信息传递的关键中枢，其内部的神经环路可以对来自嗅感神经元的嗅觉信息进行抽提以及整合，并作复杂的信息处理及相应编码。僧帽/簇状细胞为嗅球的投射神经元，嗅球中不同类型的中间神经元在调节僧帽/簇状细胞的输出等方面起重要作用，其中，在外网状层有大量的VIP中间神经元分布。VIP神经元在皮层的感觉信息处理、发育过程中关键环路的形成以及相关行为过程中记忆的保持方面均起到重要作用，但其在嗅球神经环路调控及嗅觉信息表征中的作用尚未有研究。我们发现VIP能中间神经元在嗅球的外网状层有密集的分布，主要接收僧帽细胞的兴奋性输入，对气味刺激呈现抑制性反应。清醒在体电生理记录结果表明，激活VIP神经元能抑制僧帽/簇状细胞的自发放电活动，抑制气味诱发兴奋性反应和抑制性反应。另外，激活VIP神经元抑制气味诱发beta和high gamma反应。这些结果提示VIP神经元在嗅觉信息表征中发挥重要作用。结合使用光遗传学和膜片钳记录技术，我们研究结果表明VIP神经元和僧帽细胞形成直接的抑制性突触联系，VIP神经元激活抑制僧帽自发及诱发的动作电位的频率；不同于皮层中VIP神经元通过对其他中间神经元的抑制作用发挥对锥体神经元的去抑制作用，全细胞记录结果表明嗅球中的VIP神经元与颗粒细胞以及小球层和外网状层的中间神经元并没有直接的突触联系。我们使用化学遗传学技术特异性抑制嗅球中VIP神经元的活动，结果发现僧帽细胞自发放电活动增强，小鼠嗅觉感知和气味分辨学习能力受损，但不影响先天的气味偏好和厌恶行为。综上所述，本项目详细阐明了嗅球中VIP神经元在调控嗅觉信息输出、嗅觉信息表征及嗅觉功能中的重要作用。研究结果有助于理解嗅球内部多种神经元在参与调控僧帽/簇状细胞输出、嗅觉信息处理方面的不同作用，也提示VIP神经元在调控神经元活动及功能方面表现出脑区特异性。