突触粘附分子Neurexin调控恐惧记忆形成的机制研究

Most of neocortical neurons (~80%) are excitatory pyramidal cells, the rest (~20%) of neurons are inhibitory neurons. Neurexins (Nrxn) are presynaptic cell-adhesion molecules, and they play important roles in regulating synaptic function. These molecules are implicated in autism spectrum disorder (ASD) and other neuropsychiatric disorders. Multiple evidences suggest that Inhibitory synapses undergo significant changes in ASD patients. Our recent study show that knockout of all three Nrxns in Parvalbumin (PV) positive inhibitory neurons reduced the number of inhibitory synapses, while knockout of all three Nrxns in somatostatin (SST) positive inhibitory neurons dramatically reduced the calcium transients. But it is still unknown how Nrxns in inhibitory neural circuits contribute to animal behavior..Our preliminary results show that knockout of all neurexins in PV positive neurons did not change fear memory, while knockout of all neurexins in SST positive neurons dramatically reduced fear memory. In this proposed research, we aim to study how individual Nrxn regulates synapse development, synaptic function, structural and functional plasticity of inhibitory synapses from PV positive neurons and SST positive neurons in prefrontal cortex, hippocampus, and amygdala, thus modulating fear memory.

神经元通过突触连接形成实现脑功能的神经环路，突触连接的异常往往导致脑疾病的发生。Neurexin是突触前的粘附分子，在突触发育和功能调节方面发挥重要作用。我们的预实现显示，在生长抑素（SST）阳性GABA能神经元中全敲除Neurexin可显著减弱小鼠的恐惧记忆。因此，本项目拟研究Neurexin如何通过调节抑制性突触的结构发育、突触功能及其可塑性，从而调控恐惧记忆行为；聚焦条件性恐惧记忆相关的脑区（前额叶皮层、海马和杏仁核等），探寻Neurexin在特定脑区中调控恐惧记忆的机制和特定Neurexin亚型（Nrxn1, 2, 3及其剪切产物）的作用。结合分子操作、电生理记录、双光子成像和行为学分析，本项目将揭示Neurexin调节恐惧记忆和相关抑制性神经环路的机制。

孤独症（Autism Spectrum Disorder）是一种神经发育障碍疾病，其患者主要表现出社交障碍和重复刻板行为。临床研究发现孤独症有多种复杂的遗传因素，其中Neurexin（Nrxn）家族是最受关注的致病基因之一。Nrxns 是突触前膜上的粘附分子，其参与调节突触的形态和功能发育，但其导致孤独症的机制尚不清楚。多项临床证据（包括患者共患癫痫、GABA合成酶蛋白水平下降和GABAAR受体下调等）表明，孤独症患者大脑内抑制性突触可能存在功能性损伤。本研究发现，在生长抑素（SST）阳性GABA能神经元中敲除Nrxn123（包括Nrxn1、Nrxn2、Nrxn3），发现小鼠的条件性恐惧记忆显著性下降。为了进一步比较三个Nrxn的功能分工，我们在SST阳性神经元中分别敲除了三个Nrxn（包括Nrxn1、Nrxn2、Nrxn3）。结果显示，如果只在SST阳性神经元中敲除Nrxn3，则条件性恐惧记忆显著性下降，而敲除Nrxn1或Nrxn2则条件性恐惧记忆基本保持正常。进一步研究发现，敲除Nrxn3显著性降低了中央杏仁核生长抑素阳性神经元的突触传递强度，同时降低了其突触前释放概率（Pr）。本研究揭示了Nrxn123调节条件性恐惧记忆的分子和环路机制，为解析Nrxn相关孤独症的神经机制提供了理论基础。