海马中间神经元在体放电模式鉴定与功能解码

The hippocampus, as a crucial part involved in learning and memory, the neural network mechanisms of which have always been a major focus in the research field. Hippocampal neurons can be divided into pyramidal cells and interneurons. Pyramidal cells – as the majority of total neurons, have their cell bodies tightly packed in stratum pyramidale – are the representations and output units of hippocampal neural network coding. In contrast, the minority interneurons, with distinct morphologies, have their cell bodies sparsely decorated throughout all major subfields. At least 20 interneuron types have been explicitly classified based on morphology, molecular express and in vitro electrophysiology differences. Recent studies have further shown that interneurons have diverse in vivo firing profiles, differently involved in hippocampal network activities, and are characterized as “butterflies of the soul”. But there’s still no integrated systematic research regarding how distinct interneurons are engaged in regulating hippocampal network activities and how they impact hippocampal dependent cognitive functions. In this proposal, we intend to combine multi-channel in vivo recording and optogenetics, connecting in vivo firing data with existing morphology data to build a database on interneuron in vivo firing profiles. With this database, we will study interneuronal tuning of hippocampal oscillations, and further investigate their influences on place cell generation and characteristics by regulating interneuron activities with optogenetics.

海马作为参与学习与记忆功能的重要脑区，其神经网络水平的工作原理一直是学习记忆研究领域的一大重点。海马神经元网络由锥体细胞和中间神经元组成，其中，数量庞大的锥体细胞，其胞体紧密排列在锥体层，是海马神经网络信息编码的表征和输出单元；而数量较少的中间神经元则形态各异，稀疏地点缀在海马各亚层。根据形态学、细胞分子表达及电生理特性的不同，可将中间神经元分为不同类型。近年来研究发现，它们的在体放电模式也各不相同，不同程度地参与到海马神经网络活动中，被形象地称为“灵魂的蝴蝶”。但是，不同种类的中间神经元如何参与调控海马的神经网络活动，对海马依赖的认知功能有何影响，目前尚缺乏完整、系统的研究。本项目拟结合多通道在体记录和光遗传学技术，将中间神经元在体放电数据与组织学数据相关联，建立中间神经元在体放电模式数据库，考察其对海马场电位节律的调控作用，并在此基础上，深入研究调控中间神经元活动对海马位置细胞的影响。

在动物不同行为状态下，海马神经网络振荡呈现不同节律，主要以清醒探索时期的theta节律（4-12 Hz）和慢波睡眠时期的ripple高频振荡（100-250 Hz）为主。表达不同分子标记的海马中间神经元形态各异，其轴突靶向于锥体细胞树突或胞体的不同区域，通过释放抑制性神经递质参与调控海马神经网络输出，对海马依赖的认知功能具有重要的调控作用。然而，不同种类的中间神经元如何参与调控海马神经网络振荡，海马神经网络活动是否受其他脑区调控，目前尚不清楚。本项目主要应用多通道在体电生理记录技术，同时结合光遗传学刺激，鉴定并记录了海马、内侧前额叶皮层（mPFC）不同种类中间神经元及中隔脑区乙酰胆碱神经元的活动，并考察了神经元活动与海马神经网络振荡间的关系。我们发现了中隔乙酰胆碱神经元的活动，与海马场电位theta节律具有高度同步性；然而，在慢波睡眠时期应用光遗传学刺激激活中隔胆碱能神经元，并不能诱导海马theta节律的产生，反而完全阻断了海马ripple节律，这种阻断作用是通过乙酰胆碱M型受体中的M2和M4亚型所介导的。我们的研究还发现，mPFC脑区的PV阳性中间神经元存在多种功能亚群，他们的活动与mPFC的高频节律振荡具有明显锁相关系；光刺激激活mPFC的中间神经元，对海马场电位节律振荡无明显影响。此外，我们的研究还发现，海马CA1区的锥体细胞差异性表达钙结合蛋白Calbindin，这两类神经元在基础放电模式、空间位置信息表征、海马神经网络振荡的参与中，都存在异质性。本项目的研究揭示了中间神经元在调控海马神经网络振荡中的重要作用，挑战了海马锥体细胞匀质性的传统观点，对深入考察海马神经网络结构与功能，具有重要的基础意义。