分子医研所程和平课题组开采“线粒体炫”调控神经元突触水平的长时程回想

中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员何凯雯团队联合约翰霍普金斯大学Alfredo
Kirkwood团队首次发现神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系(E/I平衡)在昼夜周期中呈现出节律性振荡。  通过进一步研究发现该振荡具有神经环路特异性,并受到睡眠/觉醒经历的紧密调控,脑中内源大麻素是介导该调控的关键分子。题为Daily
Oscillations of the Excitation-Inhibition Balance in Visual Cortical
Circuits
的研究论文于12月9日发表在学术期刊《神经元》(Neuron)上。约翰霍普金斯大学Michelle
Bridi与中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心宗方姣为共同第一作者,何凯雯与Alfredo
Kirkwood为共同通讯作者。  神经元对信息的处理和传播依赖于谷氨酸能这类兴奋性突触传递神经信号,同时也依赖于γ-氨基丁酸(GABA)能这类抑制性突触对信号传导进行时间和空间上的限制。如同油门与刹车的配合决定了车辆能否安全正确地行驶,神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系(E/I平衡)是决定神经元及神经网络功能发挥的关键因素,可以影响动物的社会行为和感官知觉表现。同时,大量研究发现E/I平衡与各类神经系统疾病也密切相关。因此,了解E/I平衡的调控机制对认识脑功能调控及相关脑疾病至关重要。  关于神经元E/I平衡的调控,目前的主流观点认为通过快速的可塑性调节机制,神经元可以保持E/I平衡的稳定,从而保证神经元功能的正常发挥。然而,就像汽车在不同的驾驶场景中,如高速公路vs市内主干道,油门与刹车的使用比例显然不同,大脑在一天中会经历不同的生理状态,其信息处理需求也并不一致。  在上述工作中,研究人员揭示了E/I平衡的全新调控方式与可能机制,发现昼夜间神经元的E/I平衡存在一个作用缓慢的周期性调控机制,该机制可以大幅度地改变E/I平衡在不同时期的定值。这与目前已知的依赖于可塑性来快速稳定E/I平衡并不矛盾,前者需要在昼夜转换后数小时才能实现,而后者则在若干分钟甚至更短的时间内发生。研究人员认为,E/I平衡在达到新的定值后将在同周期的余下时间内保持稳定,此时很可能就是采用可塑性的调控机制。  上述工作获得中科院和国家自然科学基金委的支持。

相关论文信息:

为什么有的记忆能铭刻一生而有的只能存在几分钟?短期的记忆如何转变为长期的记忆?近日,北京大学分子医学研究所程和平-王显花课题组与中国科学技术大学生命科学学院毕国强课题组合作,发现神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用,相关成果于2017年6月26日在Nature
Communications
在线发表。

神经元对信息的处理和传播依赖于谷氨酸能这类兴奋性突触传递神经信号,同时也依赖γ-
氨基丁酸能这类抑制性突触对信号传导进行时间和空间上的限制。如同油门与刹车的配合决定了车辆能否安全正确地行驶,神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系是决定神经元及神经网络功能发挥的关键因素,许多脑疾病都与
E/I 失衡密切相关。

本文共同第一作者为付忠孝博士和谈笑博士,通讯作者为王显花副研究员、程和平教授和毕国强教授。该项目得到中科院先导专项、“973计划”以及国家自然科学基金的支持。

E 与 I 的反向变化提示神经元的 E/I
平衡在昼夜间发生大幅度波动,且很可能是脑中普遍存在的生理现象。以初级视皮层为主要研究体系,研究人员进一步探究了
E/I
平衡周期性振荡的具体方式与机制。通过对小鼠进行温和短暂的睡眠剥夺,研究人员发现光周期中锥体神经元抑制信号的上调依赖于睡眠,这与已知的睡眠对兴奋性突触的调控作用相似。结合药物学方法,进而发现暗周期时大脑中
eCB 的高表达参与到突触抑制的下调。

该工作首次报道了在突触可塑性过程中,线粒体炫作为数字化的生物信号在线粒体接收、整合、传递信号中的重要作用,其科学价值在于首次揭示树突线粒体和突触之间的双向信号传导机制。同时,该研究为理解线粒体炫的生物学意义提供了一个范例,即局部、瞬时的活性氧爆发为“烧制”突触水平的长时程记忆提供了一种可能的分子与亚细胞机制。