发育关键期小鼠听觉皮层神经元树突棘形态建成及其活动变化规律研究

The critical period is the time when the fast development of the cortex occurs. During the critical period, the quick formation of cortical neuron selectivity has been found. However, because of the limitation of the techniques, the mechanism of the selectivity formation at the neuron level has not been clearly identified. Spines are the major sites of excitory inputs to neurons. Recently, the function of the single spine in auditory cortex has been studied by the in vivo two-photon imaging technique. The results showed that the selectivity of sound frequency/intensity was also found in the single spine, which implies that the functional development of spines may be the key factor determining the functional development of neurons. In the present proposal, change in sensory-evoked spine activity in auditory cortex during the critical period will be studied by in vivo two-photon imaging and patch clamp technique. The study will explore the change of spontaneous activity, sound frequency tuning, and spatial distribution of spines during the critical period. Through the study, we will try to understand the process of the functional development of the single spines and the role of the spines in the functional development of neurons during the critical period. We hope to provide the convincing evidence about the mechanism of auditory cortex functional development during the critical period.

关键期指动物出生后早期快速发育阶段，在这一时期神经元的功能被迅速规范化和特异化。但是，迄今为止，由于技术手段限制，关键期神经元对信息处理的特异性和精确性是如何形成的尚不清楚。感觉皮层神经元的树突棘是神经元兴奋性刺激的主要传入位点。最近本研究中心利用活体双光子显微功能成像技术，对小鼠皮层神经元单个树突棘的功能进行了探索。研究表明，树突棘本身对听觉刺激本身也具有高度的选择性。这一结果提示，树突棘对音频及音强刺激的选择性可能决定了神经元对声音刺激反应的高度特异性。在本研究中，我们将继续利用活体双光子显微成像以及在体膜片钳技术，对关键期听皮层神经元树突棘对声音刺激变化规律作进一步探索，包括关键期前后树突棘的形态建成，及其对音频，音强反应特异性的变化规律。通过研究，我们将了解关键期单个树突棘功能发育过程，以及其在神经元功能建成中的作用，以期为阐释听皮层发育关键期的形成机制提供有力的实验证据。

研究背景：目前研究表明，小鼠感觉皮层神经元的功能可在“感知学习”过程中进一步发育和重塑。但由于技术手段限制，我们对这一过程中神经元功能发育机制还不清楚。树突棘是神经元兴奋性刺激的主要传入位点。我们前期研究表明感觉皮层神经元的树突棘本身对感觉刺激也具有高度选择性。这一结果提示，树突棘功能发育可能是决定神经元功能发育的关键环节。.主要研究内容：1.“感知学习”过程中小鼠听觉及视觉皮层神经元功能发育规律；2.“感知学习”过程中小鼠听觉及视觉皮层树突棘功能发育规律；3.小鼠听觉及视觉皮层神经元及树突棘功能发育相互关系；4.小鼠听觉皮层神经元和树突棘功能发育的潜在行为学意义；5.小鼠星形胶质细胞功能发育规律。.重要结果和关键数据：1.我们发现重复听觉或视觉刺激可诱导神经元产生“回声反应”并改变其反应模式。结果表明听觉或视觉皮层神经元在重复感觉学习过程中，可逐渐记忆和储存相应的感觉信息，并对其功能进行重塑。2.感觉皮层树突棘同样可产生“回声反应”，表明其功能也可在重复学习过程中被重塑；另外，树突棘功能建成还遵循“成簇”发育的规律，即相邻越近的树突棘越容易同时形成某种特定的功能；除此之外，树突棘的功能发育遵循“发起者-追随者”模式，即一些树突棘的功能建成要早于另外一些树突棘。3.在听觉及视觉皮层，树突棘的功能建成均早于神经元胞体。4. 神经元和树突棘的“回声反应”可引起相对应行为；激活或抑制该“回声反应”可诱导或抑制相应行为。5. 星形胶质细胞形态建成时间与其功能建成时间一致，表明星形胶质细胞的功能发育是以其形态发育为基础。.科学意义：我们的研究揭示了听觉和视觉皮层神经元和树突棘功能发育规律及其相互关系，并深入探讨了神经元及树突棘功能建成的行为学意义和星形胶质细胞功能发育规律。这一研究对于我们更好的理解中枢听觉及视觉系统对信息处理的形成机制以及了解某些与功能发育有关的听视觉功能障碍奠定了理论基础。