神经元兴奋性对果蝇躯体感觉神经系统中枢投射的调节机制

Topographic mapping of sensory information into two-dimensional maps is a main strategy employed by the nervous system to represent the external world. Although the importance of neural activity in topographic mapping is well appreciated, the molecular mechanisms whereby neural activity instructs precise wiring of adjacent neurons remain elusive. We have recently developed a novel system for investigating topographic mapping of nociceptive inputs in Drosophila larva at single-cell resolution. In one hemisegment of Drosophila larva, there are only three nociceptors. They distribute from dorsal to ventral. And their axons project to central nervous system formed a topographic map according to their soma position in peripheral. This continuous map is regulated by neural activity. Because this system allows visualization and efficient genetic modifications of single neurons, it holds great potential for providing molecular insight into how neural activity controls topographic mapping. In this study, the Flip-out and MARCM techniques will be employed to manipulate single neuron's gene expression. To investigate the functions of neural acitivity and cAMP pathway which regulate the central projection of adjacent Drosophila nociceptor. And explore the molecular mechanism of neural activity regulating central projection of somatosensory neurons by using gene manipulation at signle neuron.

在外周感觉神经系统中枢投射的形成过程中，神经元兴奋性的作用已被广泛证实，神经元兴奋性是区分相邻神经元轴突中枢投射的必要因素，但其分子机制尚不清楚。果蝇幼虫每1/2体节表面只含有三个伤害性感觉神经元，他们的轴突在中枢形成了一个与其胞体外周分布相一致的立体投射图，此立体投射图的形成受神经元兴奋性的调节。本课题拟以果蝇幼虫伤害性感觉神经系统做为模型，应用基因遗传学实验技术：Flip-out和MARCM，通过对单一神经元的基因调控，观察改变单一神经元兴奋性对相邻神经元轴突中枢投射的影响；观察改变cAMP信号通路功能，相邻神经元轴突中枢投射的变化；观察在抑制单一神经元兴奋性的基础上，改变该神经元cAMP信号通路的功能后，对相邻神经元轴突中枢投射的影响；从而确定神经元兴奋性与cAMP信号通路的关系。揭示神经元兴奋性调节果蝇伤害性感觉神经元中枢投射的分子机制。

感觉神经元投射至中枢形成中枢投射图是感觉神经系统编码刺激部位的重要方式。在这些投射图中，感觉末梢在中枢形成的突触联系具有高度特异性。这种特异性不仅表现在末梢投射至大致体感代表区，而且也表现在相邻同种感觉神经元投射至中枢部位的精细差异，形成精确的投射图，但此投射图的形成机制尚不十分清楚。我们在前期的实验中发现，果蝇幼虫每1/2体节表面只含有三个伤害性感觉神经元即第四类多树突感觉神经元 (C4da神经元)，即ddaC (D), v’ada (M) 和vdaB (V)神经元，他们的轴突在中枢形成了一个与其胞体在外周分布相一致的立体投射图，此投射图的发现为我们研究躯体感觉神经元的中枢投射机制提供了可靠的生物模型。本课题将基因遗传学与形态学相结合，应用单细胞基因调控技术――Flip-out和MARCM发现，果蝇伤害性感觉神经元中枢投射图的形成分为两个过程：首先，背侧神经元D与两个腹侧神经元M和V的轴突通过加入不同的神经束分别投射至中枢的背侧和腹侧；其次，两个腹侧神经元M和V的轴突分别投射至中枢腹侧区的中间和腹侧位置。在此投射图形成的第二步过程中，神经元兴奋性是指导M和V神经元轴突投射的调控因素。.在此课题实施过程中，我们通过应用单细胞基因调控技术抑制或提高单个C4da神经元兴奋性均可导致M和V神经元中枢投射差异性消失，从而证明了神经元兴奋性是指导C4da神经元中枢投射的主要因素。经过大量的基因筛查我们发现胞浆蛋白dTrim9具有与神经元兴奋性相似的表型，即dTrim9突变和过表达亦均可导致M和V神经元中枢投射的紊乱。为了证明神经元兴奋性与dTrim9在调控C4da神经元中枢投射中的关系，我们在单个C4da神经元dTrim9突变的同时抑制其兴奋性，结果发现抑制神经元兴奋性的表型被dTrim9突变表型所阻断，即该神经元只表现了dTrim9突变的表型，由此可证明dTrim9是位于兴奋性下游的一个调控因子。同时我们应用细胞免疫组织化学方法发现，抑制神经元兴奋性可导致该神经元dTrim9表达的增加，而提高神经元兴奋性可抑制该神经元dTrim9的表达。由此可以证明，神经元兴奋性对C4da神经元中枢投向的调控是通过调节神经元内dTrim9蛋白表达实现的。此发现为探索神经元兴奋性的作用机制提供了新的线索和实验依据。