神经环路的形成、功能与可塑性

项目名称：神经环路的形成、功能与可塑性

首席科学家：蒲慕明中国科学院上海生命科学研究院起止年限：至

依托部门：中国科学院

二、预期目标

本项目的总体目标：

在神经环路层面上解析神经系统发育、功能以及可塑性，同时了解与重要神经系统疾病相关的环路异常的机制。建立从微观的分子/细胞水平研究与宏观的系统/行为研究之间的桥梁。力争在神经细胞的产生和分化、细胞定位、突触形成和修剪、感觉信息的传递、整合与储存、工作记忆和抉择的环路机制、环路形成与功能的异常等前沿研究领域中取得重要进展。

五年预期目标:

1)在神经环路形成分子机制方面，深入认识神经干细胞增殖、分化和命运决定

的调控机制；揭示神经元迁移的动力原理和导向机制；进一步阐明神经元极化的胞内外机制；探索神经元树突和突触修剪的分子机制。

2)在神经环路功能及可塑性方面，阐明神经环路电信号的产生与调节机制、多

模态感觉信息整合的突触和环路机制、神经环路存储和提取感觉经验中的时序信息的突触机制、工作记忆和抉择行为的环路机制和工作原理。

3)在神经环路异常分子机制方面，将重点研究智障基因导致癫痫易感的环路形

成异常、抑制性突触传递系统调控与癫痫发生的关系、离子通道失常对神经元存活与突触和神经环路异常的作用。

4)五个课题有机联系、技术交叉。将充分利用团队优势，在以上三个研究方向

取得重要科研成果。具体表现为对神经环路的重要前沿问题有显著突破，在神经科学界取得领先地位。

5)开展与临床研究人员的交流与合作关系，以扩展具有临床应用前景的基础研

究。

6)培养学术骨干的基础科研能力，使之成为他们所在的研究领域中享有国际声

誉的科学家。建立具有国际竞争力的创新型研究团队。通过高质量的基础研究训练来提高研究生和博士后的科研素质，为中国神经科学后备人才的储备

作出贡献。

三、研究方案

本项目由五个有内在联系的研究课题组成，每个课题由3-4个神经科学研究所的研究组合作完成。这些课题紧密围绕神经环路的形成及功能展开研究。在神经环路的形成及可塑性方面，主要研究神经元发生、分化和命运决定的转录因子调控；神经细胞迁移和形态发生的分子细胞学机制；突触形成与修剪机制；并从分子细胞层次研究环路功能的调节机制。在神经环路的功能及可塑性方面，主要研究多模态感觉信息整合的环路机制；以及工作记忆和抉择的环路基础。同时，将研究病理状态下（包括癫痫、智障和老年痴呆）神经环路的变化。五个课题的研究方案，依以下顺序分别进行描述：环路的形成→环路的功能→环路的异常。

课题一神经细胞的产生、迁移与轴突生长

结合基因剔除、胚胎电场转基因、组织培养、单细胞迁移分析、高通量测序和数据分析等实验方法，研究大脑皮层和脊髓背角神经元产生和命运决定的调控机理、神经元迁移及轴突投射建立的机制。并将这两个脑区的研究结果相互参照，比较异同。在神经元产生和命运决定的调控机制研究中将特别关注三类调控方式： 1）转录调控、2）表观遗传学调控、3）miRNA调控，以期发现有关键作用的新的调控分子、阐明相应的上下游信号机理。神经元迁移和轴突投射的研究中，特别关注已知的神经轴突导向因子对新生神经元迁移发挥的作用、阐明相关的信号机制。

创新点与特色：在研究内容上，综合考虑不同层次的基因表达调控网络在神经干细胞命运决定中的作用；将在大脑皮层和脊髓背角上的研究结果相互比较和参照，以促进对各脑区神经环路发育机制的一般性了解。在实验方法上，拥有非常成熟的单细胞迁移导向分析等独特技术。

可行性分析：已建立实验必需的鸡胚和鼠胚电场转基因、单细胞迁移导向分析、神经干细胞培养、病毒包装感染等关键技术。成功获得了多个与研究相关的

转基因小鼠品系。研究队伍完整、具有良好的工作基础，具备开发新的研究手段的潜力。因此，本课题的执行有充分的保障。

课题二神经环路形成和可塑性的分子机制

围绕神经元极性建立、轴树突的生长、突触形成、树突与突触的选择性修剪等重要问题，开展以下研究：1）神经元形态发生的细胞骨架机制和不对称膜转运机制；2）神经元电活动、分泌性因子对树突形成与修剪和突触功能的影响；3）表观遗传因素介导的基因表达调控对神经环路可塑性的影响。

创新点与特色：围绕神经元形态发生、突触的形成及修剪机制，从细胞骨架、囊泡转运、基因表达调控等多层次多角度地展开研究。在离体培养的神经元上，采用多种新的分子生物学、光学成像和激活等实验手段。

可行性分析：主要学术骨干在神经元形态发生、突触形成及神经活动依赖的基因表达调控等方面有多年的研究工作积累。已获得一些与本课题相关的前期工作成果。具有相对成熟的神经细胞生物学分析手段、工具病毒载体构建技术和光敏感离子通道激活技术。

课题三神经环路信号传递、整合与储存

本课题拟采用多种模式动物（果蝇、斑马鱼、大/小鼠）和多种活体实验手段（电生理、钙成像、行为等）研究视觉、听觉、嗅觉、味觉等多模态感觉信息传递、整合与储存发生的精确位点和神经机制，探讨其对动物行为的作用。

创新点与特色：采用多种模式动物，从不同角度研究多模态感觉信息整合的原理；运用在整体果蝇、斑马鱼、大/小鼠上的活体全细胞记录技术与钙成像相结合的手段，并引入光敏感离子通道激活和失活神经环路的技术。

可行性分析：已建立完善的实验体系，主要学术骨干在以上研究领域均有较好的工作积累，已获得一些与本课题相关的前期工作成果，有望取得进一步的突破。

课题四工作记忆和抉择行为的神经环路基础

本课题采用实验和理论相结合的方法，围绕工作记忆和抉择行为的神经环路机制展开深入研究。在实验方面，将以果蝇、小鼠和猴作为模式动物，采用行为学、脑片和整体动物的示踪、光学成像、电生理等技术，以研究工作记忆和抉择行为的神经元环路机制和功能。在理论分析方面，将以实验数据为基础，结合大规模的神经元网络的计算仿真，揭示工作记忆和抉择行为在神经元环路上的计算原理。理论的结果和预测将对动物实验的设计和数据分析提供新的思路。

创新点与特色：从分子、细胞、环路、到整体行为等多层次、多角度展开实验和理论紧密结合的研究，揭示神经环路实现工作记忆和抉择行为的机理，以期进一步认识其它认知功能的环路机制。

可行性分析：已建立相对成熟的整体动物的钙成像、电生理、动物行为及计算的平台。主要学术骨干在神经元环路的实验记录与操纵、理论的模拟与分析等方面有多年的积累。

课题五神经环路异常的分子机制

本课题将结合基因剔除/过表达技术、动物行为分析、影像技术、细胞培养、电生理技术、及生化实验方法，研究与疾病相关的神经环路异常的分子机制。

创新点和特色：从神经环路的形成与功能的层面来了解脑疾病发病机理，以期为开发有临床运用前景的预防与治疗方法提供新思路。

可行性分析：所需的转基因、基因敲除小鼠已基本构建好，所需抗体已制备。主要学术骨干对正常与异常神经环路的分子机制研究已有多年经验。

四、年度计划

一、研究内容

围绕神经环路的形成、功能与可塑性这一主题，所建议的五个研究课题将用各种实验手段力争在神经环路的形成过程、信息编码和处理的功能、及神经环路的可塑性等方面取得重要突破。以下将按课题顺序叙述拟解决的关键科学问题和主要研究内容。

课题一神经细胞的产生、迁移与轴突生长

神经系统早期发育过程中，神经干细胞的增殖、分化产生不同类型的神经元，以及新生神经元的迁移定位和轴突投射到特定的部位对于功能性神经环路的形成是必不可少的环节。细胞内转录因子和miRNA及胞外诱导因子对这些发育环节发挥重要的调控作用。根据该领域研究现状和热点，结合本研究团队的前期工作基础，拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下：

本课题的关键问题：

1）神经干细胞增殖分化和命运决定的调控机理；

2）神经元迁移和轴突生长的导向机制。

主要研究内容：

1.大脑皮层和脊髓背角神经元产生及神经递质表型决定的转录调控机制；

2.miRNA在大脑皮层神经细胞命运决定、定向迁移、轴树突分化、轴突生长导

向中的作用；

3.大脑皮层及脊髓神经元有序迁移及轴突投射的导向机制。

课题二神经环路形成与可塑性的分子机制

神经元极性建立、轴树突生长、神经元与靶细胞的特异连接和突触分化、神经元树突和突触的选择性修剪等过程是神经环路形成的基本环节，受到各种正性和负性因子的调控，这些因素的综合作用导致神经元之间或神经元与靶细胞的精确连接以及特定蛋白在突触前和突触后的精确定位。

本课题的关键问题：

1）神经元形态发生的分子机制；

2）发育过程中神经元活动依赖的树突和突触的修剪机制。

主要研究内容：

1.在神经元极性建立中细胞骨架的调节机制和膜组分的不对称转运机制；

2.神经元电活动调节树突发育及突触功能的分子机制；

3.树突和突触修剪的调节机制。

课题三神经环路信号传递、整合与储存

研究神经环路中信息传递、整合与储存的机制有助于我们深入理解脑的工作原理以及动物行为产生的机制。

本课题的关键问题：采用不同模式动物和在体实验手段，研究信息传递、储存和多模态感觉信息整合的突触和环路机制。

主要研究内容：

1.神经信息的产生与传递的调控与可塑性机制，包括神经元的动作电位产生和

传导，神经递质与感觉刺激对信息产生与传递的调控；

2.视觉、嗅觉、听觉和味觉之间的调控与整合的突触和环路机制，及其在动物

行为中的功能；

3.皮层神经环路学习和存储视觉经验中时序信息的机制。

课题四工作记忆和抉择行为的神经环路基础

工作记忆和抉择行为相互关联，其相关脑区也是相互重叠的。工作记忆所储存的信息包括抉择时刻的外部刺激、动物本身的需求和相关的回忆，是动物做出合理抉择的关键；反之，抉择行为的结果又决定了动物工作记忆的内容和模式，并将行为的后果存入及更替过去的记忆。

本课题的关键问题：

工作记忆与价值抉择的神经环路机制及其神经计算原理。

主要研究内容：

1.工作记忆的神经环路机制；

2.抉择行为的神经环路机制；

3.工作记忆和抉择行为的神经环路的理论模型。

课题五神经环路异常的分子机制

突触与神经环路功能失常是神经系统疾病的重要特征。分子机制的异常可造成突触形成和神经环路功能的异常，导致脑功能（如记忆和学习）损伤和失常。本课题的关键问题：

神经环路形成与功能异常的分子机制

主要研究内容：

1.与智障相关基因导致大脑皮层神经环路发育异常的分子机制；

2.大脑皮层GABA抑制性突触传递在精神分裂症和癫痫病发生中的作用；

3.离子通道在神经元存活和死亡过程中的作用。