【正文】 ，將以果蠅、小鼠和猴作為模式動物，采用行為學(xué)、腦片和整體動物的示蹤、光學(xué)成像、電生理等技術(shù)，以研究工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)元環(huán)路機(jī)制和功能。 課題三 神經(jīng)環(huán)路信號傳遞、整合與儲 存 本課題擬采用多種 模式動物 （果蠅、斑馬魚、大 /小鼠）和多種活體實(shí)驗(yàn)手段（電生理、鈣成像、行為等）研究視覺、聽覺、嗅覺、味覺等多模態(tài)感覺信息傳遞、整合與儲存發(fā)生的精確位點(diǎn)和神經(jīng)機(jī)制，探討其對動物行為的作用。 在離體培養(yǎng)的神經(jīng)元上，采用 多種新的 分子生物學(xué)、光學(xué)成像 和激活等實(shí)驗(yàn)手段。 研究隊(duì)伍完整 、 具 有 良好的工作基礎(chǔ)，具備開發(fā)新的研究手段的 潛力 。 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 ： 在研究內(nèi)容上，綜合考慮不同層次的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在神經(jīng)干細(xì)胞命運(yùn)決定中的作用；將在大腦皮層和脊髓背角上的研究結(jié)果相互比較和參照，以促進(jìn)對 各 腦區(qū) 神經(jīng)環(huán)路 發(fā)育機(jī)制的 一般性了解 。 課題一 神經(jīng)細(xì)胞的產(chǎn)生、遷移與軸突生長 結(jié)合基因剔除、胚胎電場轉(zhuǎn)基因、組織培養(yǎng)、單細(xì)胞遷移分析、高通量測序和數(shù)據(jù)分析 等 實(shí)驗(yàn)方法，研究大腦皮層和脊髓背角神經(jīng)元產(chǎn)生和命運(yùn)決定的調(diào)控機(jī)理、神經(jīng) 元 遷移及軸突投射建立的機(jī)制。在神經(jīng)環(huán)路的形成及可塑性方面，主要研究神經(jīng)元發(fā)生、分化和命運(yùn)決定的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控；神經(jīng)細(xì)胞遷移和形態(tài)發(fā)生的分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制；突觸形成與修剪機(jī)制；并從分子細(xì)胞層次研究環(huán)路功能的調(diào)節(jié)機(jī)制。 建立 具有國際競爭力的創(chuàng)新型研究團(tuán)隊(duì)。將 充分利用團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，在以上 三個研究方向取得 重要 科研成果 。 五年預(yù)期目標(biāo) : 1) 在神經(jīng)環(huán)路形成分子機(jī)制方面 ，深入認(rèn)識神經(jīng)干細(xì)胞增殖、分化和命運(yùn)決定的調(diào)控機(jī)制；揭示神經(jīng)元遷移的動力原理和導(dǎo)向機(jī)制；進(jìn)一步闡明神經(jīng)元極化的胞內(nèi)外機(jī)制；探索神經(jīng)元樹突和突觸修剪的分子機(jī)制。 項(xiàng)目名稱： 神經(jīng)環(huán)路的形成、功能與可塑性 首席科學(xué)家： 蒲慕明 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 起止年限： 至 依托部門： 中國科學(xué)院 項(xiàng)目名稱： 細(xì)胞信號時空動態(tài)的前沿研究和關(guān)鍵技術(shù) 首席科學(xué)家： 王世強(qiáng) 北京大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)： 在神經(jīng)環(huán)路層面上解析神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、功能以及可塑性，同時了解 與 重要神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的環(huán)路 異常的 機(jī)制。 2) 在神經(jīng)環(huán)路功能及 可塑性 方面 ， 闡明神經(jīng)環(huán)路 電信號的產(chǎn)生與調(diào)節(jié) 機(jī)制 、 多模態(tài)感覺 信息 整合的突觸和環(huán)路機(jī)制 、 神經(jīng)環(huán)路存儲 和提取 感 覺經(jīng)驗(yàn)中的 時序 信息 的突觸機(jī)制、 工作記憶和抉擇行為的環(huán)路 機(jī)制 和工作原理 。具體表現(xiàn) 為對神經(jīng)環(huán)路的重要前沿問題有顯著突破，在神經(jīng)科學(xué)界取得領(lǐng)先地位 。 通過高質(zhì)量的基礎(chǔ)研究 訓(xùn)練來 提高研究生 和博士后的科研素質(zhì) ， 為 中國 神經(jīng)科學(xué)后備人才的儲備作出貢獻(xiàn)。在神經(jīng)環(huán)路 的功能及可塑性方面，主要研究多模態(tài)感覺信息整合的環(huán)路機(jī)制；以及工作記憶和抉擇的環(huán)路基礎(chǔ)。 并 將 這兩個腦區(qū) 的研究結(jié)果相互參照，比較異同。在實(shí)驗(yàn)方法上， 擁有 非常成熟的單細(xì)胞遷移導(dǎo)向分析等獨(dú)特 技術(shù)。因此，本課題的執(zhí)行有充分的保障。 可行性分析 ： 主要 學(xué)術(shù) 骨干在神經(jīng)元形態(tài)發(fā)生、突觸形成及神經(jīng)活動依賴的基因表達(dá)調(diào)控等方面有多年的 研究工作 積累 。 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 ：采用多種 模式 動物 ，從不同角度研究多模態(tài)感覺信息整合的原理；運(yùn)用在整體果蠅、斑馬魚、大 /小鼠上的活體全細(xì)胞記錄技術(shù)與鈣成像相結(jié)合的手段，并引入光敏感離子通道激活和失活神經(jīng)環(huán)路的技術(shù)。在理論分析方面，將以實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù) 為基礎(chǔ)，結(jié)合大規(guī)模的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算仿真， 揭示工作記憶和抉擇行為在神經(jīng)元環(huán)路上的計(jì)算 原理 。主要 學(xué)術(shù) 骨干在神經(jīng)元環(huán)路的實(shí)驗(yàn)記錄與操縱、理論的模擬與分析等方面有多年的積累。主要 學(xué)術(shù) 骨干 對正常與異常神經(jīng)環(huán)路的分子機(jī)制研究已有多年經(jīng)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn) TRPC6 對 Aβ 水平的調(diào)控作用 ； 11． 確認(rèn) GAT1 敲除小鼠的精分表型，確定 BDNF 對 ASIC 的敏化調(diào)控作用 。確定神經(jīng)細(xì)胞中是否存在細(xì)胞特異性基因組 DNA 重組； 3. 明確遷移神經(jīng)元中極性黏附建立的機(jī)制，整理撰寫論文； 4. 明確 Rab10 等小 G蛋白的可能作用機(jī)制； 5. 完成對基因芯片篩選出的基因的鑒定與確認(rèn)；獲得 MeCP2 轉(zhuǎn)基 6 小鼠模型 ； 6. 探討抑制性中間神經(jīng)元的動作電位產(chǎn)生和傳播機(jī)制，揭示間腦多巴胺神經(jīng)環(huán)路在視覺對聽覺調(diào)節(jié)中的重要作用； 7. 發(fā)現(xiàn)果蠅視嗅覺整合的位點(diǎn)；發(fā)現(xiàn)影響皮層時序?qū)W習(xí)與記憶效率的因素 ； 8. 初步闡明工作記憶和抉擇行為相關(guān)環(huán)路的連接方式，完善工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)元環(huán)路模 8 型 ； 9. 了解果蠅蘑菇體內(nèi)各種類型神經(jīng)纖維之間的支配關(guān)系和聯(lián)系緊密程度，構(gòu)建計(jì)算模型預(yù)測這些行為對環(huán)路之間關(guān)聯(lián)緊密程度的依賴關(guān)系 ； 10. 揭示 Neuregulin1ErbB4 信號通路在癲癇發(fā)生發(fā)展中的作用， 確定過表達(dá) TRPC6 下調(diào) Aβ 的作用 ； 11. 確認(rèn) GAT1 的作用機(jī)理，明確在體情況下 BDNF 對 ASIC 的影響和對痛覺的貢獻(xiàn)， .找到精胺增強(qiáng)ASIC 的作用位點(diǎn) 。 1. 完成 Ezh2 對神經(jīng)元產(chǎn)生和發(fā)育的調(diào)控方式，整理撰寫論文 ； 2. 確定 NP1 及 NP2 如何指導(dǎo)脊髓背角神經(jīng)元軸樹突的生長投射，整理并撰寫論文 ； 3. 完成 Rab10 對神經(jīng)元極化作用機(jī)理研究；完成在體檢測Ncadherin 功能的轉(zhuǎn)基因小鼠的構(gòu)建 ； 4. 完成不同腦區(qū)神經(jīng)元的形態(tài)發(fā)生鑒定，初步得到 MeCP2 調(diào)控樹突棘發(fā)育的體內(nèi)證據(jù)；整理數(shù)據(jù)、撰寫論文 ； 5. 揭示神經(jīng)調(diào)質(zhì)對軸突 Na+通道的調(diào)制作用及其機(jī)制；揭示視覺 輸入的動態(tài)門控機(jī)制和行為意義 ； 6. 發(fā)現(xiàn)果蠅味覺和嗅覺整合的整合位點(diǎn)；發(fā)現(xiàn)參與 V1 時序?qū)W習(xí)與記憶的神經(jīng)環(huán)路 ； 7. 深入闡明工作記憶相關(guān)環(huán)路的連接方式，了解蘑菇體的小葉對感覺刺激和獎懲刺激編碼的一般原則 ； 8. 建立猴的工作記憶行為范式，完善描述腦的抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路模型 ； 9. 闡明 MeCP2， CDKL5 和 Ube3A在神經(jīng)元發(fā)育中的作用， 確定分泌酶或降解酶 的作用 ； 10. 明確 Ca2+信號及其下游通路在慢性痛誘發(fā)和維持中的作用，研究精胺增強(qiáng) ASIC 對神經(jīng)元興奮性的影響 。初步 建立用于神經(jīng)干細(xì)胞研究的體內(nèi)疾病模型 ； 2. 初步確定 SCF/cKit 是否參與皮質(zhì) ——丘腦束發(fā)育的調(diào)控 ； 3. 完成 Calpain 和 Caspase3 完成新篩選出基因?qū)渫话l(fā)育與突觸功能的調(diào)節(jié)作用的研究 ； 4. 確證 MeCP2 上下游分子是否參與樹突棘發(fā)育與修剪的過程；整理數(shù)據(jù)、撰寫并發(fā)表論文 ； 5. 闡明神經(jīng)調(diào)質(zhì)對突觸可塑性的調(diào)節(jié)作用及機(jī)制；揭示中腦視覺和聽覺整合的功能特點(diǎn) ； 6. 發(fā)現(xiàn)視覺模式對嗅覺反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制；揭示不同生理狀態(tài)下視覺知覺記憶鞏固的機(jī)制 ； 7. 闡明學(xué)習(xí)如何改變工作記憶和持續(xù)性發(fā)放以及相關(guān)神經(jīng)元活動。探討成年神經(jīng)干細(xì)胞維持，沉默，以及激活的調(diào)控方式； 2. 離體實(shí)驗(yàn)研究 SCF 是否通過cKit促進(jìn)皮層深層神經(jīng)元軸突的黏附生長； 3. 繼續(xù)完善與優(yōu)化脊髓背角神經(jīng)元環(huán)路分析方法。 1. 初步取得一些基因是如何調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞激活或沉默的的數(shù)據(jù)； 2. 基本完成 SCF/cKit對皮質(zhì)丘腦束發(fā)育調(diào)控作用的研究，整理并撰寫論文； 3. 整理脊髓背 角神經(jīng)元環(huán)路方面的工作 ； 4. 完成神經(jīng)電活動調(diào)節(jié)樹突、樹突棘修剪機(jī)制的研究；明確 MeCP2的作用機(jī)制 ； 5. 整理數(shù)據(jù)、撰寫并發(fā)表論文 ； 6. 揭示網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)在 感覺信息整合中的作用機(jī)制； 揭示視覺 聽覺整合的動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制及其行為意義 ； 7. 找到介導(dǎo)果蠅味嗅覺整合的神經(jīng)環(huán)路；闡明初級視皮層時序?qū)W習(xí)與記憶的神經(jīng)機(jī)制 ； 8. 闡明工作記憶和持續(xù)性發(fā)放中單個細(xì)胞與群體細(xì)胞活動的關(guān)系，闡明猴神經(jīng)元在工作記憶中的群體活動規(guī)律 ； 9. 完善神經(jīng)環(huán)路模型，用模型解釋所觀察到的所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；了解壓力環(huán)境對群體抉擇行為的影響以及相應(yīng)的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ) ； 10. 闡明 MeCP2 和 CDKL5 突變致認(rèn)知功能異常的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)，提出對 AD 發(fā)病機(jī)理的新認(rèn)識，闡明 GABA 系統(tǒng)與精神分裂癥發(fā)病機(jī)理的關(guān)系；揭示 ASIC 敏感化調(diào)控的分子基礎(chǔ)并發(fā)現(xiàn)缺血性神經(jīng)損傷和慢性痛治療新靶點(diǎn) ； 11． 總結(jié)結(jié)果，發(fā)表論文。 細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子和 miRNA 及胞外誘導(dǎo)因子對這些發(fā)育環(huán)節(jié)發(fā)揮重要的調(diào)控作用。 本課題的關(guān)鍵問題 ： 1） 神 經(jīng)元形態(tài)發(fā)生的分子機(jī)制； 2） 發(fā)育過程中 神經(jīng) 元 活動依賴的樹突和突觸的修剪機(jī)制。 主要研究內(nèi)容 ： 1. 神經(jīng)信息的產(chǎn)生與傳 遞的調(diào) 控與可塑性機(jī)制， 包括 神經(jīng)元的動作電位產(chǎn)生和傳導(dǎo) ， 神經(jīng) 遞質(zhì)與感覺刺激 對 信息產(chǎn)生與傳遞 的 調(diào)控 ； 2. 視覺、嗅覺、聽覺和味覺之間的調(diào)控與整合的突觸和環(huán)路機(jī)制 ， 及 其 在動物行為中 的功能 ； 3. 皮層 神經(jīng)環(huán)路學(xué)習(xí)和存儲視覺經(jīng)驗(yàn)中時序信息的 機(jī)制。 主要研究內(nèi)容 ： 1. 工作記憶的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制 ； 2. 抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制 ； 3. 工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路的理論模型 。 項(xiàng)目名稱： 細(xì)胞信號時空動態(tài)的前沿研究和關(guān)鍵技術(shù) 首席科學(xué)家： 王世強(qiáng) 北京大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)： 我們將在深入分析細(xì)胞鈣信號、線粒體 ROS 信號與關(guān)鍵蛋白的時空動態(tài)活動的基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析和理論建模相結(jié)合的方法系統(tǒng)地分析信號間相互調(diào)節(jié)、相互控制的關(guān)系，闡明細(xì)胞信號微觀隨機(jī)動態(tài)呈現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基本原理，并有重點(diǎn)地揭 示有關(guān)病理?xiàng)l件下信號系統(tǒng)失穩(wěn)態(tài)的機(jī)制， 為基于 細(xì)胞 信號 的 藥物創(chuàng)新 提供理論基礎(chǔ)。 5. 培養(yǎng)碩士博士 研究生 60～ 80 名，博士后 10～ 20 名，國家杰出青年基金獲得者、教育部“長江學(xué)者 ” 、中科院“百人計(jì)劃”等學(xué)術(shù)帶頭人 48 名 。這三個方面在思路上以分析為主。我們的前沿探索將對顯微成像技術(shù)、分子探針、多維圖像算法等提出較高的需求，因此將發(fā)揮項(xiàng)目組成員的多學(xué)科優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)新模態(tài)、高分辨、高通量成像技術(shù)的自主創(chuàng)新。我們將自行研制 STED系統(tǒng)用于空間高分辨成像，研制 CARS和 SRS 系統(tǒng)用于非熒光探針成像。我們將 在 “大腸桿菌 哺乳細(xì)胞 ”穿梭體系和分子進(jìn)化平臺的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建新穎的高通量變異體篩選庫， 實(shí)現(xiàn) 非天然氨基酸 分子標(biāo)記 。 通過系統(tǒng)優(yōu)化， 我們將 推動 探針技術(shù) 成為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對信號蛋白及其 相互作用 的高時空分辨探測。 通過數(shù)學(xué)建模，將實(shí)驗(yàn)事實(shí)與生物學(xué)規(guī)律聯(lián)系起來，通過對數(shù)據(jù)的擬合，建立細(xì)胞信使動態(tài)和穩(wěn)態(tài)相統(tǒng)一的理論 模型 。 以單分子 米氏方程 為基礎(chǔ)建立單分子反應(yīng)模型， 進(jìn)一步 建立分子寡聚體系的數(shù)學(xué)動力學(xué)模型，通過 Monte Carlo 仿真獲得分子寡聚體系動態(tài)行為。 承擔(dān)本項(xiàng)目研究工作的中堅(jiān)力量都是細(xì)胞 信號 動態(tài)研究、分子探針研究、 新一代 顯微成像和 多維 圖像處理 等相關(guān) 領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人 ， 擁有卓著的研究成果和豐富的 研究經(jīng)驗(yàn)， 部分成員的研究在國際同領(lǐng)域居主導(dǎo)地位。 其 創(chuàng)新 性 主要體現(xiàn)在： （ 1）研究目標(biāo)的創(chuàng)新。 細(xì)胞信號過程是一個多層次復(fù)雜 、動態(tài) 體系。 （ 3） 研究方法的創(chuàng)新 。 本項(xiàng)目的顯著特色是多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)。為此，本課題主要研究細(xì)胞鈣信號的微觀控制和時空自組織過程，包括鈣火花發(fā)生過程中 L 型鈣通道與鈣釋放通道間納米尺度局部控制、鈣火花通過鈣致鈣釋放自激形成螺旋鈣波和鈣振蕩的時空動態(tài)，同時與課題二合作研究細(xì)胞鈣信號時空動態(tài)與超氧信號的相互關(guān)系。我們最新研究發(fā)明了一種特異于超氧陰離子的熒光蛋白探針cpYFP， 利用該定位于線粒體的超氧陰離子熒光探針，我們發(fā)現(xiàn)了新的線粒體超氧生成事件，并命名 “超氧炫 (superoxide flash)”。 研究 目標(biāo)： 通過設(shè)計(jì)和建立新的熒光蛋白表達(dá)體系及小分子熒光標(biāo)記體系，對鈣致鈣釋放信號蛋白復(fù)合體 的寡聚狀態(tài) 、 G 蛋白耦聯(lián)受體募集不同亞型磷酸二酯酶的時 空動態(tài)過程、 ROS 激活 caspase 和鈣依賴性蛋白激酶 等過程實(shí)現(xiàn)