中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员何凯雯团队联合约翰霍普金斯大学Alfredo Kirkwood团队首次发现神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系(E/I平衡)在昼夜周期中呈现出节律性振荡。  通过进一步研究发现该振荡具有神经环路特异性,并受到睡眠/觉醒经历的紧密调控,脑中内源大麻素是介导该调控的关键分子。题为Daily Oscillations of the Excitation-Inhibition Balance in Visual Cortical Circuits 的研究论文于12月9日发表在学术期刊《神经元》(Neuron)上。约翰霍普金斯大学Michelle Bridi与中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心宗方姣为共同第一作者,何凯雯与Alfredo Kirkwood为共同通讯作者。  神经元对信息的处理和传播依赖于谷氨酸能这类兴奋性突触传递神经信号,同时也依赖于γ-氨基丁酸(GABA)能这类抑制性突触对信号传导进行时间和空间上的限制。如同油门与刹车的配合决定了车辆能否安全正确地行驶,神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系(E/I平衡)是决定神经元及神经网络功能发挥的关键因素,可以影响动物的社会行为和感官知觉表现。同时,大量研究发现E/I平衡与各类神经系统疾病也密切相关。因此,了解E/I平衡的调控机制对认识脑功能调控及相关脑疾病至关重要。  关于神经元E/I平衡的调控,目前的主流观点认为通过快速的可塑性调节机制,神经元可以保持E/I平衡的稳定,从而保证神经元功能的正常发挥。然而,就像汽车在不同的驾驶场景中,如高速公路vs市内主干道,油门与刹车的使用比例显然不同,大脑在一天中会经历不同的生理状态,其信息处理需求也并不一致。  在上述工作中,研究人员揭示了E/I平衡的全新调控方式与可能机制,发现昼夜间神经元的E/I平衡存在一个作用缓慢的周期性调控机制,该机制可以大幅度地改变E/I平衡在不同时期的定值。这与目前已知的依赖于可塑性来快速稳定E/I平衡并不矛盾,前者需要在昼夜转换后数小时才能实现,而后者则在若干分钟甚至更短的时间内发生。研究人员认为,E/I平衡在达到新的定值后将在同周期的余下时间内保持稳定,此时很可能就是采用可塑性的调控机制。  上述工作获得中科院和国家自然科学基金委的支持。

中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心研究员何凯雯课题组联合美国约翰斯 · 霍普金斯大学 Alfredo Kirkwood 团队,首次发现锥体神经元的 E/I 平衡并非恒定,而是在一天中发生周期性的振荡。该研究成果近日发表于《神经元》。

为什么有的记忆能铭刻一生而有的只能存在几分钟?短期的记忆如何转变为长期的记忆?近日,北京大学分子医学研究所程和平-王显花课题组与中国科学技术大学生命科学学院毕国强课题组合作,发现神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用,相关成果于2017年6月26日在Nature Communications在线发表。

神经元对信息的处理和传播依赖于谷氨酸能这类兴奋性突触传递神经信号,同时也依赖γ- 氨基丁酸能这类抑制性突触对信号传导进行时间和空间上的限制。如同油门与刹车的配合决定了车辆能否安全正确地行驶,神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系是决定神经元及神经网络功能发挥的关键因素,许多脑疾病都与 E/I 失衡密切相关。

线粒体炫是程和平课题组于2008年首次报道的单个线粒体的量子化信号,它含有线粒体活性氧激增、基质瞬时碱化、膜电位瞬时下降等多重变化,时程为数十秒,是新形式的线粒体基本功能事件。线粒体炫广泛存在于多个物种及多种细胞,只要有功能性线粒体就存在线粒体炫信号。线粒体炫的发生,既是一个耗能的过程,又存在对细胞产生氧化应激损伤的风险。多年来,程和平-王显花课题组一直在苦苦探寻线粒体炫为什么普遍存在的生物学解释。

在这项工作中,研究人员通过记录分析微小后突触电流,意外发现在初级视皮层、前额叶皮层以及海马中锥体神经元的兴奋性与抑制性突触强度在 24 小时的光暗周期内发生反向变化:当兴奋性突触事件的频率在暗周期中升高时,抑制事件的频率降低;反之兴奋性突触在光周期中下调时,抑制性突触则显著增强。

突触可塑性是学习记忆的神经基础。在不同类型的神经活动的调控下,短时程的突触可塑性只能持续几秒到几分钟,而长时程的突触可塑性可维持数十分钟到数小时甚至更长。联合课题组猜测,线粒体炫可能参与突触可塑性的某种信号转导过程。为此,研究者选取学习记忆的经典细胞模型——大鼠的海马神经元——为研究对象,发展了长时程线粒体炫连续成像以及双光子飞秒脉冲激活线粒体炫等新技术。他们惊喜地发现,化学及电刺激方法诱发突触的长时程增强总是伴有突触附近一个或多个线粒体炫信号;人为激活线粒体炫信号,则能够稳定其附近的突触增大,从而产生从短时程增强向长时程增强的转化;有意思的是线粒体炫对突触可塑性的有效调控有着确定的时间窗口(刺激后30分钟内有效)和空间范围(2微米以内有效),显示了线粒体炫调控突触可塑性机制的特异性与精确性。进一步研究发现,线粒体炫的发生依赖于神经活动钙信号及钙依赖性激酶,其所释放的活性氧信号可能是促进突触长时程增强的信号分子。