科研进展
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  • 章晓辉课题组发现调控脑发育关键期起始的新突触环路机制

             7月28日,国际知名生命科学学术期刊《Cell Reports》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室章晓辉课题组揭示调控脑发育关键期起始的新突触环路机制的研究论文。此论文发现在大脑皮层突触环路中,局部兴奋性突触在关键期前阶段的选择性成熟参与调控视觉皮层发育关键期起始的新机制,提出了兴奋性突触环路功能成熟调控发育关键期的重要作用。
           在人和动物出生后一个特定早期阶段,大脑结构和功能的发育对外界环境和经验非常敏感,表现出非常高的可塑性。这一阶段被称之为脑发育“关键期”。在关键期内,脑内功能性突触连接在环境或经验作用下得到适应性优化,它是大脑正常建立感知觉、语言与学习等高级功能一个必要环节。大脑关键期可塑性的缺失或异常往往可会导致不可逆的不良影响。新近研究表明,不同突触环路的发育成熟可能决定脑发育关键期的起始、时长和终止,其中γ-氨基丁酸(GABA)抑制性突触环路成熟更为关键,并提出了调控关键期的“GABA抑制阈值学说”。但由于大脑环路的细胞组成和连接的复杂性,对调控关键期开启的神经环路机制仍所知甚少。新近,章晓辉课题组采用视皮层发育关键期可塑性的经典动物模型,在揭示调控关键期的神经环路机制做出了一系列研究工作,相关论文已发表在Nature Communications (2014)、Journal of Neuroscience (2014) 和Scientific Reports (2015)。
            在这Cell Reports论文中,研究生缪庆龙和姚立(共同第一作者)采用膜片钳电生理记录方法系统地解析了小鼠初级视皮层神经环路中兴奋性锥体细胞和各类抑制性神经元之间形成的突触功能的发育变化,发现在关键期的开启阶段,皮层内兴奋性神经元之间、以及它们与邻近表达小清蛋白(parvalbumin,PV)和生长激素抑制素(somatostatin,Sst)抑制性中间神经元之间形成局部谷氨酸能突触传递的时间动态变化(又称“短时程可塑性”)被选择性调控,但皮层内抑制性突触与长程丘脑-皮层兴奋性突触短时程可塑性却保持不变。进一步实验阐明,突触前谷氨酸递质释放降低介导了这一选择性的兴奋性突触的发育成熟。这些系统的发现不但为原发育关键期调控的“GABA抑制阈值学说”提供了突触环路发育变化基础,而且也提出了一个新的突触环路调控机制,即兴奋性突触环路功能成熟调控关键期开启,并为后续研究大脑关键期可塑性机制建立了新方向。
           该工作受科技部973项目(2011CBA00403)项目资助。Malte Rasch博士、叶倩和李响也参与了此项工作。
    相关联接:http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(16)30899-3
    Miao Q.L., Yao L., Malte J.R., Ye Q., Li X. and Zhang X.H. (2016) Selective Maturation of Temporal Dynamics of Intracortical Excitatory Transmission at the Critical Period Onset. Cell Reports 16, 1–13, http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.07.013.  
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    图:初级视皮层第四层神经环路中各类兴奋性突触和抑制性突触功能在关键期开启阶段的发育变化。感谢谭宁东制作实验发现总结示意图。