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《自然》:中外科学家合作揭示可塑性浦肯野神经元及其学习记忆机理 精选

已有 7204 次阅读 2022-5-12 09:23 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年5月11日晚23时,美国华盛顿大学医学院Azad Bonni课题组与同济大学医学院章小清课题组和美国普林斯顿大学Samuel Wang课题组合作,在Nature杂志发表题为 “Transcriptomic mapping uncovers Purkinje neuron plasticity driving learning”的长篇研究论文,建立了神经元功能多样性解析方法,并揭示了可塑性浦肯野神经元及其学习记忆机理。


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哺乳动物中枢神经系统中,功能和种类相近的神经元往往聚集形成核团,解剖学对这些核团进行了定义,并描绘了其上下游投射环路。但是,某种行为情景下,例如关联学习记忆中,并不是一个核团中所有的神经元均同时参与反应,或发生同一种反应,这就是核团的细胞异质性和功能异质性。虽然通过c-Fos系统可以报告激活神经元或记忆痕迹神经元(Engram neuron),但系统全面捕获行为情景下,反应性神经元类型和分子改变仍是领域内的难点。论文第一作者陈晓颖博士在华盛顿大学医学院神经科学系Azad Bonni教授课题组从事博士后研究期间,聚焦于如何动态捕获参与学习记忆的神经元的分子特征,用于解析神经元的细胞异质性和功能异质性这一领域难点。


浦肯野神经元是最古老最神秘的神经元类型之一,只占小脑所有细胞的不足1%,体积较大并且利用其复杂的树突接收数以千计颗粒细胞的平行纤维信号输入,整合所有运动感觉信息,并作为小脑皮层唯一信号输出神经元通过轴突向小脑深部核团发出信号指令。浦肯野神经元虽然经历了百余年的研究,但仍局限在电生理、行为关联及解剖学分布等层面,缺乏对其全面深刻的分子水平的理解。

 

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图1 INTACT–FACS–snRNA-seq关联动物行为学和浦肯野神经元亚群反应

 

在该项研究中,研究人员选取了浦肯野神经元作为研究对象,通过INTACT标记了浦肯野神经元核膜,单核转录组分析解析了浦肯野神经元的细胞分型(Plcb4+Aldoc+)并描绘了两种浦肯野神经元静息状态下的分子图谱。基于运动激活(Activity)、运动能力学习(Motor learning)和运动关联学习(Associative learning)三种行为学模型,发现Plcb4+神经元具有更强的可塑性,在行为学情景下,感知信息与环路变化,活性显著增强并发生学习记忆相关的基因表达改变。通过生物信息学分析发现FGFR2信号通路主导了Plcb4+神经元的转录改变和运动学习能力的获取。钙成像和光遗传操控验证了Plcb4+浦肯野神经元的可塑性改变和在运动学习中的必要性,体内Plcb4+浦肯野神经元CRISPR条件性FGFR2敲除证实了FGFR2信号通路对学习行为引起的转录改变和对学习的重要调控作用。


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图2. 钙成像记录,光遗传操作参与反应的神经元

 

解析神经核团内同一类型神经元的结构异质性和功能异质性,进而精准描绘某行为情景下,反应性神经元的类型、可塑改变以及和行为学的关联是脑科学的核心研究内容。本研究,一方面建立了一种高效、稳定的能有效捕获特定行为反应性神经元,并解析反应性神经元可塑改变的方法,探索了参与运动学习记忆的百年来只知环路结构,未知分子图谱的复杂浦肯野神经元类型,揭示了浦肯野神经元的分型、运动学习反应性神经元的分子特征、可塑性分子改变以及学习记忆的关键信号通路。该成果对神经科学以及学习记忆领域均具有重要的参考价值和理论意义。

 

华盛顿大学医学院陈晓颖博士、同济大学杜艳华博士和普林斯顿大学Gerard Joey Broussard博士为该文共同第一作者。华盛顿大学医学院Azad Bonni教授,同济大学章小清教授和普林斯顿大学Samuel Wang教授为共同通讯作者。

 

第一作者陈晓颖博士毕业于同济大学神经-免疫方向,参与了同济大学与加州大学洛杉矶分校联合培养项目,博士毕业后,加入了华盛顿大学医学院Azad Bonni和David Holtzman课题组从事博后研究,进行学习记忆与阿尔兹海默症的研究。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04711-3



https://m.sciencenet.cn/blog-3423233-1338152.html

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1 黄永义

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