线虫味觉神经元功能成像研究

线虫的味觉可塑性/学习行为是一种非常简单的学习模式，但是对其神经元生理活动分子机理却了解不多。光学分子成像能够在单个神经元层面上揭示线虫生理活动，传统固定线虫方法对线虫伤害较大，难以长时间活体观察，同时模拟外界环境的刺激困难，因此成像结果无法反映其真实生理活动。我们已建立了活体固定线虫成像的芯片平台，本项目将进一步利用微流控生物芯片集成多种功能，即通过芯片内可控层流模拟外界环境的突变/渐变，对线虫进行可溶物不连续/连续浓度梯度流的刺激，通过气压指阀与微通道实现长时间活体固定线虫，从而建立能够通过光学分子成像研究线虫化学物质趋向性的技术平台。在此平台上，结合突变体分析，通过神经元内Ca2+、cGMP功能成像深入研究线虫的味觉可塑性/学习行为及其相关神经元细胞可塑性的信号转导途径。本课题对于揭示高等动物神经活动的分子机理具有重要的科学参考价值，并促进化学、生物学及其交叉学科的发展和人才培养。

线虫的对外界环境的感知是一种非常简单的神经活动。因受到技术手段限制，对其神经元的生理活动进行直接研究还很少。本项目提出了基于微流控生物芯片的线虫味觉神经元功能成像研究。通过三维微通道网络，在一块微流控生物芯片上建立了多个功能模块，实现了线虫的活体固定、头部的溶液以及气体刺激以及神经元生理活动的光学成像分析。利用该平台，我们分析了线虫对于NaCl以及在酒精存在时的感受活动。结果表明当NaCl浓度增加时，ASER内钙离子浓度降低；当NaCl浓度降低时，ASER内钙离子浓度增加。酒精不影响线虫对于NaCl浓度降低的感受，但会明显抑制线虫对于NaCl浓度增加的感受。在连续多次NaCl刺激下，ASER神经元内的荧光强度的变化幅度逐渐降低，表现出味觉适应性；而在酒精处理条件下，此荧光变化仍然逐渐降低，表明酒精没有明显抑制线虫味觉适应性。我们进一步利用指型气压阀固定线虫，通过微流泵驱动层流从而使不同的溶液交替刺激线虫。结果表明Cu2+、SDS、高浓度甘油三种不同的溶液刺激均能引起ASH神经元内钙离子的增加，其中Cu2+所引起的钙峰最高。相对于野生型线虫，osm-10突变体的ASH神经元对于高渗透压刺激不敏感，而对于Cu2+和SDS的刺激敏感。在连续多次高渗透压刺激下，ASH神经元内的荧光强度的变化幅度逐渐降低，即表现出神经元感受适应性。最后，我们建立了用于分析线虫对气体感受的微流控生物芯片平台。通过程序控制气路电磁阀与微注射泵开闭，对固定的线虫头部给予精确可控的气体刺激。结果表明氧浓度变化引起URX神经元内钙离子浓度显著增加，并表现出浓度依赖性。高浓度二氧化碳能够普遍引起非特异神经元荧光减弱，表明对线虫神经系统具有抑制作用。有机的极性挥发性气体辛醇能够引起ASH神经元内钙离子浓度增加。此外，辛醇气体虽然能迅速诱导tph-1和Ce-grk-2突变体的ASH神经元产生钙峰，但峰值明显降低，峰持续时间也明显缩短。本课题对于揭示高等动物神经活动的分子机理以及神经类药物筛选具有重要的科学参考价值，并促进生物物理、生物医学及其交叉学科的发展和人才培养。