去甲肾上腺素能神经调质系统视觉输入/输出的结构和功能研究

Neuromodulator systems influence sensory processing, sensorimotor transformation and behavior. Emerging evidence suggests that the noradrenergic (NE) neuromodulator system in the locus coeruleus (LC) affects brain functional dynamics by coordinately changing its activity associated with external sensory context. However, it remains largely unknown how the NE system in the LC senses sensory cues and regulates the functions of downstream neural circuitries. In this proposal, using larval zebrafish as a model, we plan to dissect how the LC NE system receives visual information and accordingly modulates the brain state and functions. Combining Cas9-based knockin, two-photon calcium imaging, and virus-based retrograde tracing, we propose to examine the visual input, upstream and downstream targets, and visual function-relevant regulation of the LC NE system. Furthermore, we plan to perform single-cell sequence technology on each individual NE neuron the in LC to explore the molecular basis for their function and heterogeneity. This proposal will provide insights for understanding working mechanisms of the NE system and the generation of adaptive behaviors in animals.

神经调质系统调节从感觉输入到行为产生的各个环节的神经信号的处理。目前证据表明，蓝斑核团去甲肾上腺素能神经调制系统在外界环境变化的感知、脑神经网络活动状态的调节、以及行为的发生中均发挥了重要的作用。然而，去甲肾上腺素能神经系统如何感知外界环境变化和调节下游神经环路功能的机制缺乏深入的研究。本项目以斑马鱼为模式动物，以视觉系统为切入点，利用我们新近建立的基因敲入技术，特异性地标记蓝斑去甲肾上腺素能神经元，并在体检测和调控它们的活动，系统地研究去甲肾上腺素能神经系统的视觉信息输入和输出的神经环路机制。进一步地，结合单细胞测序技术，通过分析单个蓝斑去甲肾上腺素能神经元的基因表达谱，阐明其功能特异性和调节下游神经环路的分子机制。本项目将为理解去甲肾上腺素能神经调质系统的工作原理提供新的证据，为阐明动物产生适应性视觉行为的神经机制提供新的认识。

神经调质系统（neuromodulatory systems）在从感觉信息接收到行为发生的多个环节的神经信号的处理过程中，发挥重要的调节作用；其活动与动物的情绪、觉醒、注意、动机等密切相关。神经调质系统在生物进化过程中具有保守性，无论是在低等动物（如线虫、果蝇、斑马鱼等）的简单神经系统，还是在高等动物（如灵长类）的复杂神经系统中，都普遍存在。去甲肾上腺素能和五羟色胺能调质系统均位于脑干（brainstem），在大脑中有着更为广泛的投射。其中，去甲肾上腺素能神经元，主要聚集在脑干的蓝斑（Locus Coeruleus, LC），其投射几乎覆盖整个大脑的不同区域，包括大脑皮质区（neocortex）、丘脑（thalamus）、杏仁核（amygdala）、边缘结构（limbic structure）、小脑(cerebellum)、脊髓(spinal cord)等。LC的NE神经元具有广泛的神经投射，暗示其在调节大脑神经网络活动状态和协调不同脑区神经功能中发挥重要的作用。申请人建立了一种全新而高效的斑马鱼基因敲入（knockin）方法，并建立了稳定的TH-EGFP，TH-Gal4 knockin，DBH-Gal4 knockin等品系。并利用其主要对LC NE神经元的下游投射的全脑图谱进行了探索。我们将DBH-Gal4 knockin品系与UAS:Kaede转基因品系杂交，使LC NE神经元表达荧光转换蛋白Kaede。由于Kaede被紫外光激发后颜色从绿色变成红色。因此，通过对单个LC NE神经元进行荧光转换，追踪其轴突投射。通过逐一标记，最终可描绘出全部LC NE神经元的下游输出脑区，最终在国际上首次建立了斑马鱼全脑LC的投射图谱和其投射的特性。