听皮层发育过程中兴奋和抑制的进行性平衡及机制研究

Auditory cortex neurons receive excitatory and inhibitory signals from other neurons,these two opposite signals work together to carry out the speech and auditory information processing.Until now,it is unclear when and how does the excitation and inhibition balance establish,especially we have little knowledge about the key time point of the balance,developmental change of thalamocortical inputs and cortex layers. In addition, we also don't know if the midbrain ventral tegmental area (VTA) which is involved in the regulation of auditory cortex plasticity contributes to the balance of cortical excitation and inhibition. Clarification of these issues will be very important for our understanding of the neural mechanisms of auditory information processing as well as hearing and speech development disorders. Therefore, this project is aim to investigate the ongoing balance of excitation and inhibition of auditory cortex during development using in vivo intracellular and extracellular recording, patch clamp recording, microinjection, immunohistochemistry and other technique, to understand the cellular mechanism of excitatory and inhibitory balance in primary auditory cortex, in order to provide new experimental evidence for understanding auditory information processing， plasticity ，clinical and developmental speech and hearing disorders.

听皮层每一神经元同时接收到其他神经元的兴奋和抑制信号,这两种信号通过相互拮抗实现对言语和听觉信息的协调处理，但是在发育过程中听皮层兴奋和抑制信号的平衡是在何时以何种方式建立并如何发生变化的，目前并不清楚，尤其是有关兴奋和抑制平衡建立的关键时间点、丘脑-皮层输入信息的影响以及皮层各层的发育差异等问题仍然了解很少。此外，与听皮层可塑性相关的中脑腹侧被盖区（VTA）是否参与调控听皮层兴奋和抑制的平衡目前也未见报道.这些问题的阐明对于我们理解听觉信息的处理以及听力和言语发育障碍的神经机制具有重要意义。因此，本项目拟采用在体细胞内和细胞外记录、膜片钳记录和免疫组化等技术，通过观察不同发育时期大鼠听皮层兴奋和抑制的动态变化，在细胞水平阐明听皮层发育过程中兴奋和抑制进行性平衡的机制及相关影响因素，以期为理解听觉信息处理和可塑性机制以及临床上与发育相关的言语和听力障碍疾病提供新的实验证据。

听皮层神经元通过兴奋和抑制性两种信号相互拮抗实现对言语和听觉信息的处理，听皮层兴奋和抑制信号的平衡是在何时以何种方式建立并如何发生变化以及神经机制如何，目前并不清楚。本项目采用膜片钳、光遗传学等技术，对大鼠不同时期听皮层神经元的特性、兴奋和抑制的动态变化以及相关机制进行了系统研究。我们建立了从出生后10天到成年动物发育所有阶段的成熟全细胞在体膜片钳记录技术，还成功建立光遗传学和听觉行为学等技术。首先对听皮层神经元的基本特性如variation和diversity及其产生机制进行了研究，发现不同年龄大鼠A1 L4兴奋性神经元对于外界相同声音刺激在幅度和时间精度上均表现不稳定性变化。Spike failure主要是由于突触后电位过小不足以诱发动作电位所致。听皮层神经元功能diversity及其产生机制是一个大家关注的重要问题。我们发现相邻AAF L5神经元感受野展现显著多样性，可能是由于突触兴奋和抑制的错配导致的。错配的形成与多样性的兴奋偏态分布有关，与抑制关系不大。这一功能多样性提示AAF可能参与听觉感知和行为控制的精细化处理过程。在发育早期尤其是生后13天听皮层L5 RF相差不大，随着发育进程到19天以后，RF多样性增加。其次发现刺激VTA可减少声音诱发反应的不稳定性，同时神经元放电精确性增加，可能与增强听皮层抑制性有关。激活大鼠丘脑-皮层环路可使听皮层RF偏移并且产生LTP和LTD，RF偏移可能与抑制皮层神经元的反应引起。关于声强如何影响听皮层神经元频率编码的机制不清，我们在大鼠A1 L4记录了由不同频率和强度纯音刺激引发的神经元群和单个神经元的电活动以及突触输入,发现随着强度的增强，BF发生双向偏移,BF的偏移导致tonotopic map区域的扩大。A1和AAF tonotopic map具有镜像对称的特点，逆行和顺行示踪显示A1和AAF之间有相互投射，以光遗传方法激活A1，可以使AAF神经元动作电位发放增加，而抑制A1活动，有相反效应，结果提示A1可以提高AAF神经元的兴奋水平。以上结果提示听皮层兴奋与抑制的平衡在皮层功能和精细化过程中发挥重要作用，为进一步理解听觉信息处理和可塑性机制提供新的实验证据。本项目目前已经正式发表5篇SCI论文，1篇中文期刊论文，培养博士生3名和硕士生2名等，还有3篇SCI论文正在revised。