全反式维甲酸对神经元网络的稳态可塑性钙调控作用及机理

Network stability is maintained through homeostatic synaptic plasticity that modifies all synapses of a neuron concurrently in a multiplicative fashion (referred to as synaptic scaling). Ca2+ is a well-accepted key player in various forms of synaptic plasticity, including Hebbian-type plasticity (LTP/LTD) and homeostatic synaptic plasticity. Our recent work has identified all-trans retinoic acid (RA) as an important player for synaptic scaling. That is, RA synthesis is increased in TTX+APV induced synaptic scaling, while no change of RA synthesis in TTX mediated synaptic scaling. So we propose that RA synthesis increase with the cellular calcium level decrease. To test our hypothesis, we will use EGTA-AM, BAPTA-AM and nifedipine (a kind of blocker of L-type calcium channel) to directly decrease the calcium level. And see how it changes with the RA synthesis. By expression of nifedipine-insensitive L-type calcium channel, we will investigate whether RA acts cell autonomously or through paracrine pathway to modulate synaptic transmission.At the same time, we will study the influence of RA on inhibitory neruo-transmission. Furthermore, inducing synaptic scaling with TTX+APV treatment, or with RA, will globally increase synaptic strength. We'll ask how these elevated synaptic transmissions influence a neuron's ability to undergo Hebbian type synaptic plasticity (LTP/LTD)? Overall, we propose to employ a combined electrophysiological, molecular, image and genetic approach to investigate the physiological role of RA and its underlying mechanisms. And this may help in developing novel therapies for neurological disorders (as epilepsy, autism and so on).

稳态突触可塑性有利于维持网络神经元的稳定性。钙离子在Hebbian可塑性和稳态可塑性等多种可塑性中其重要作用。本课题组前期工作表明，TTX+APV介导的突触可塑性中全反式维甲酸（RA）合成增加；TTX介导的稳态可塑性中RA合成无变化。由此我们推测，胞内钙水平降低，RA合成增加。为证实这一假说，我们拟通过应用钙螯合剂或L型钙通道阻断剂直接降低钙水平，观察对RA合成的影响。通过过度表达nifedipine不敏感的L型钙通道，探讨神经元合成RA的调控方式，是自身合成，抑或旁分泌方式合成RA。同时 ，研究稳态可塑性中RA对抑制性稳态可塑性的影响；并在培养的海马脑片体系，观察RA或TTX+APV处理后,对神经元诱导Hebbian可塑性(LTP/LTD)能力的影响，探讨Hebbian可塑性与稳态可塑性之间的可能交互作用。本课题将从分子和细胞水平揭示RA对神经元网络的可塑性调控作用及机理。

稳态突触可塑性（homeostatic synaptic plasticity）是一种负反馈的稳态调节方式，神经元通过它调节突触强度，防止神经环路长时间处于过度兴奋或过度抑制的状态。稳态调节的损伤可能是某些神经系统疾病的病理基础。本项目主要研究了全反式维甲酸在稳态可塑性中的调控作用，以及环境因素铅处理对稳态突触可塑性的影响及可能机制。我们的主要结果如下：.1. 全反式维加酸 （RA）能够介导突触稳态，并且受细胞钙水平调节。我们发现钙水平降低，有利于合成RA，从而介导稳态突触可塑性。.2. 全反式维甲酸诱导的稳态突触可塑性中树突棘数目形态的变化 在离体培养的原代海马神经元体系，给细胞(DIV 13)予以RA处理半小时，结果发现RA处理组神经元树突棘密度为(9.11±0.33)/10μm; 比对照组(8.40±0.24)/10μm显著升高。.3. 铅暴露对TTX+APV诱导的synaptic scaling的影响 根据我们的前期工作及本课题的假说，钙水平降低，RA合成增加，从而介导突触稳态产生。再者，铅会抑制钙通道的开放。那么，铅对突触稳态可塑性的诱导和产生有怎样的影响呢？ 在培养的离体海马神经元(DIV13)，给予Pb2+、TTX+APV、TTX+APV+Pb2+处理24h, 膜片钳记录mEPSC，结果提示Pb2+对TTX+APV诱导的突触稳态没有协同增加作用。.4. TTX+Pb2+对突触稳态诱导的影响 膜片钳电生理研究提示，TTX+Pb2+可以介导稳态突触可塑性产生。并且TTX+Pb2+诱导突触稳态可塑性是RA（全反式维甲酸）非依赖性的。.5. TTX+Pb2+对AMPA受体膜转运的影响 膜片钳电生理以及生物素酰化和免疫细胞化学方法，发现TTX+Pb2+显著增加了膜表面GluR1和GluR2表达量。并且，TTX+Pb2+处理改变了自发放的兴奋性与抑制性的电流平衡。. 我们的研究在分子和细胞水平揭示RA和环境铅对神经元网络的可塑性调控作用及机理。为临床上认知障碍或神经网络活动异常相关疾病，如儿童癫痫、孤独症、早老性痴呆及抑郁症等，提供病理生理基础和防治依据。