在国际刊物上画神经太极图:记中科院最新成果

【字体: 时间:2011年03月24日 来源:生物通

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  上海生命科学研究院神经研究所的研究人员发现了大脑皮层维持兴奋和抑制动态平衡的新机制,并画出了一幅大脑皮层“太极图”,这项研究有助于分析癫痫、精神分裂症等神经系统疾病。这一研究成果公布在PLoS Biology杂志上。

  

生物通报道:来自中科院的消息,上海生命科学研究院神经研究所的研究人员发现了大脑皮层维持兴奋和抑制动态平衡的新机制,并画出了一幅大脑皮层“太极图”,这项研究有助于分析癫痫、精神分裂症等神经系统疾病。这一研究成果公布在PLoS Biology杂志上。



(太极图显示:大脑皮层中兴奋性神经元(Excitatory)和抑制性神经元(Inhibitory)通过混和的数码信号(101011……)和模拟信号(黄色曲线表示的膜电位依赖的调制信号)维持网络中兴奋和抑制的动态平衡。图片由侯晗构思设计。)

领导这一研究的是神经研究所舒友生研究员,舒友生研究员早年毕业于湖南师范大学生物系,主要研究方向是揭示大脑皮层正常功能及病理条件下脑功能紊乱的亚细胞、细胞和神经网络水平的机制。这项研究由朱洁、江漫、杨明坡和侯晗等合作完成。同期的PLoS Biology发表了题为“在皮层网络中寻找平衡”(Finding Balance in Cortical Networks)的评论,对这项工作进行了专门介绍。

大脑皮层各种功能的正常发挥依赖于皮层中兴奋和抑制的动态平衡。在皮层神经网络中,兴奋性的锥体神经元和抑制性的中间神经元通过突触结构形成局部神经环路,这些环路是皮层中兴奋-抑制平衡的结构基础。一般认为,兴奋性神经元发放的动作电位(数码信号)沿轴突传导至突触前膜,通过突触传递在抑制性神经元上产生兴奋性突触后电位(EPSP),如果达到特定的发放阈值,抑制性神经元会产生动作电位并在其支配的兴奋性神经元上产生抑制性突触后电位(IPSP),从而反馈抑制兴奋性神经元。大脑皮层的电活动状态与行为息息相关,那么皮层又是如何在不同的电活动状态下(即当神经元处于不同的膜电位水平时)维持兴奋-抑制的动态平衡呢?

研究人员在离体脑薄片上应用膜片钳技术同时记录多个皮层神经元,发现反馈性抑制受到突触前锥体神经元膜电位的调控:锥体神经元的阈下膜电位去极化(兴奋性提高)可增强其动作电位在突触后锥体神经元上引起的双突触IPSP(抑制性增强)。进一步实验证明,双突触IPSP的增强是由抑制性中间神经元所介导:突触前去极化增大动作电位在抑制性中间神经元上诱发EPSP(膜电位依赖的模拟信号),并使其发放动作电位的概率和数目增加,从而介导IPSP的增强。这种膜电位依赖的EPSP和IPSP的变化由轴突D-电流(一种快激活但缓慢失活的钾电流)所介导。

该研究揭示了大脑皮层动态维持其网络中兴奋和抑制平衡的新机制。由于皮层中这一平衡的破坏与癫痫、精神分裂症等神经系统疾病有关,这项研究成果可为相关疾病的临床治疗提供新思路。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Membrane Potential-Dependent Modulation of Recurrent Inhibition in Rat Neocortex

Dynamic balance of excitation and inhibition is crucial for network stability and cortical processing, but it is unclear how this balance is achieved at different membrane potentials (Vm) of cortical neurons, as found during persistent activity or slow Vm oscillation. Here we report that a Vm-dependent modulation of recurrent inhibition between pyramidal cells (PCs) contributes to the excitation-inhibition balance. Whole-cell recording from paired layer-5 PCs in rat somatosensory cortical slices revealed that both the slow and the fast disynaptic IPSPs, presumably mediated by low-threshold spiking and fast spiking interneurons, respectively, were modulated by changes in presynaptic Vm. Somatic depolarization (>5 mV) of the presynaptic PC substantially increased the amplitude and shortened the onset latency of the slow disynaptic IPSPs in neighboring PCs, leading to a narrowed time window for EPSP integration. A similar increase in the amplitude of the fast disynaptic IPSPs in response to presynaptic depolarization was also observed. Further paired recording from PCs and interneurons revealed that PC depolarization increases EPSP amplitude and thus elevates interneuronal firing and inhibition of neighboring PCs, a reflection of the analog mode of excitatory synaptic transmission between PCs and interneurons. Together, these results revealed an immediate Vm-dependent modulation of cortical inhibition, a key strategy through which the cortex dynamically maintains the balance of excitation and inhibition at different states of cortical activity.

作者简介:

舒友生博士

1994年毕业于湖南师范大学生物系,获理学士学位。1999年获得中国科学院前上海脑研究所博士学位。1999至 2000年期间,在美国耶鲁大学麻醉系 Robert H. LaMotte 博士的实验室从事博士后研究工作;2000 至 2006 年在耶鲁大学神经生物学系 David A. McCormick 博士的实验室继续博士后工作。于2006年加入中国科学院神经科学研究所,担任神经网络功能研究组组长。本研究组的研究方向是揭示大脑皮层正常功能及病理条件下脑功能紊乱的亚细胞、细胞和神经网络水平的机制。

研究方向

本研究组的研究目标是揭示大脑皮层正常功能与病理条件下功能紊乱的神经基础,并阐明单个神经元及由其组成的神经网络活动在脑功能中的作用。感知觉、学习与记忆、以及睡眠等行为均可导致脑皮层的多种形式的电活动。这些电活动的正常或异常与个体行为是否正常息息相关,因此研究脑皮层电活动的发生机制十分重要。本研究组通过结合电生理和免疫组织化学等方法,应用离体脑切片和整体动物模型对皮层电活动的产生机理进行亚细胞水平、细胞水平和神经网络水平的多层次探讨。正在开展的研究工作包括:

顶树突和基底树突来源的突触信息在皮层锥体细胞上的整合机制
脑皮层锥体细胞的顶树突和基底树突接受不同来源的突触传入,这些传入如何在单个细胞上整合从而影响细胞的输出呢?本研究组希望回答这一问题,并对学习记忆的细胞水平机制进行研究。

阈下膜电位变化在轴突上的传播及其对突触传递的分级调控机制
传统理论认为,突触后电位经过整合到达阈电位并爆发动作电位,全或无的动作电位是细胞胞体和轴突终末之间的唯一通讯方式。利用首创的高阻抗封接轴突记录技术,我们惊奇地发现细胞胞体的阈下膜电位变化可以在轴突上传播很长的距离,并对突触传递起重要调节作用。我们正在对这一突触调节的机理进行研究,同时比较正常和病理情况下(如癫痫、脱髓鞘、缺氧损伤等)轴突的功能。

经验驱动的皮层细胞内在特性的改变在中枢可塑性变化中的贡献
在慢性神经病理性痛产生时,已知大脑皮层会产生可塑性变化;但对神经病理性痛过敏和痛超敏(或称触诱发痛)的皮层机制了解甚微。应用电生理技术和神经病理性痛模型,本研究组将研究皮层突触强度的长时程变化及细胞内在兴奋性的持续改变,从而探讨神经病理性痛的皮层机制。另外,癫痫和其他神经退行性疾病会长时间改变皮层细胞的内在特性,揭示内在特性的变化机理对控制疾病的产生和发展具有重要意义。

皮层神经网络的微环路及由它们产生的多种同步化电活动的机制
皮层抑制性中间神经元参与控制多种皮层同步化振荡的频率,如与认知任务相关的 gamma 和 theta 节律。我们的工作表明抑制性中间神经元的强烈激活可以中止慢节律振荡,而持续的网络电活动依赖兴奋性和抑制性细胞活动的动态平衡。我们现在正在回答的问题包括:兴奋性和抑制性神经元如何相互联系从而形成一个平衡的神经网络;细胞内在何种特性使神经网络迅速产生或终止其网络电活动。
 

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