孤独症相关异常神经微环路的早期发育机制研究

Study early development mechanisms of abnormal neural microcircuits in autism spectrum disorders. Using BTBR T+ tf/J mice (P0-P14) as ASD animal model, by combining patterning electric stimulation, optogenetics, with microelectrode array (MEA) extracellular recording, patch clamp whole cell recording, and confocal imaging, study 1) dynamic characteristics of endogenous electrical activity in neural microcircuits of postnatal amygdala and hippocampus in ASD mice model; 2) short term plasticity in neural microcircuits of postnatal amygdala and hippocampus in ASD mice model; 3) constructing OMEA system by combining optogenetics with MEA extracellular recording. This study is important for revealing underlying mechanisms of ASD at neural microcircuit level and seeking new therapeutic targets, and also, is helpful for understanding the rule of interaction of genetic factors and environmental factors in ASD.

目标：揭示孤独症相关异常神经微环路"早期发育异常"机制。为此，我们以P0-P14天BTBR T+ tf/J小鼠为研究对象，运用模式电刺激方法、"光感基因调控技术"（Optogenetics）结合活体脑片微电极阵列细胞外电活动记录技术，膜片钳全细胞记录技术、共聚焦成像等技术研究：1）孤独症相关异常神经微环路的内源性电活动的动力学特征；2）孤独症相关异常神经微环路的短期可塑性的变化规律；3）结合光感基因调控技术和活体脑片微电极阵列（microelectrode array, MEA）细胞外电活动记录技术，集成创新地建立光感基因微电极阵列细胞外电活动记录与调控体系(OMEA)，实现在毫秒水平与神经微环路层次对转光感基因孤独症动物模型活体脑片神经微环路电活动的实时记录和精确调控。这些发现将对揭示孤独症在神经微环路层面上的发病机制并寻找新治疗靶点具有重要的科学、临床、社会和经济意义。

总体目标：揭示孤独症谱系障碍（Autism spectrum disorders, ASD）相关神经微环路的早期发育异常机制。为此，我们以P0-P14天BTBR T+ tf/J小鼠为研究对象，运用模式电刺激方法、光感基因调控技术（Optogenetics）结合微电极阵列（microelectrode array, MEA）活体脑片电活动记录与刺激技术、膜片钳全细胞记录技术、共聚焦荧光成像等技术研究：1）ASD相关神经微环路的内源性电活动的动力学特征；2）ASD相关神经微环路的短期可塑性的变化规律；3）结合Optogenetics和MEA活体脑片电活动记录与刺激技术，建立光感基因微电极阵列活体脑片电活动记录与调控体系(OMEA)。我们通过社交行为测试检测与评价方法确定建立ASD小鼠模型，通过多次试验组合不同的电刺激频率、强度、持续时间等参数建立特定的模式电刺激方法，通过MEA采用模式电刺激方法刺激并记录P0-P14天ASD模型小鼠活体脑片上海马组织和杏仁核神经微环路的电活动，通过对电活动的动力学特征进行分析，我们发现P9-P11阶段是海马CA3区以及DG区神经微环路内源性电活动和短期可塑性在新生期发育的关键时间节点；P9前是杏仁核BLA区域神经微环路内源性电活动在新生期发育的关键时间节点；P11-P12阶段是杏仁核CE区域神经微环路内源性电活动和短期可塑性在新生期发育的关键时间节点。我们建立了激光点阵随机扫描刺激系统，通过共聚焦荧光成像技术观察VGAT-ChR2-YFP转光感基因小鼠的神经元上光感基因的表达，通过膜片钳全细胞记录技术记录激光刺激引起的VGAT-ChR2-YFP转光感基因小鼠的神经元光电流。并且，我们通过摸索集成创新地建立OMEA体系，能够在毫秒水平与神经微环路层次对转光感基因孤独症动物模型活体脑片ASD相关的神经微环路电活动的实时记录和精确调控。OMEA体系的建立不仅帮助我们从神经环路水平更加深刻理解ASD的发病机制和探讨更加有效的早期干预方法和治疗策略，而且发展了一种基于光遗传神经调控技术平台上、适用于神经微环路解析的方法，为其他神经精神疾病的研究提供了一个有力的工具。通过该项目的实施，已发表相关SCI论文1篇，会议摘要3篇，申请国家发明专利1项，同时，相关的实验数据正在整理中，准备后续撰写相关SCI论文。