【正文】 在生理和病理?xiàng)l件下都發(fā)揮重要作用。團(tuán)隊(duì)中，生命科學(xué)專家提出關(guān)于生命活動信號調(diào)控的基本問題，并從分子、細(xì)胞到整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；長期致力于生命過程研究的數(shù)學(xué)家以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過抽象、建模、仿真，對細(xì)胞信號時空過程的穩(wěn)態(tài)機(jī)制進(jìn)行理論升華；化學(xué)生物學(xué)家通過設(shè)計(jì)分子探針，實(shí)現(xiàn)信號分子的動態(tài)和相互作用研究；來自工學(xué)院的專家一方面為項(xiàng)目中成像技術(shù)和數(shù)據(jù)分析提供支撐，也將產(chǎn)生研究技術(shù)的自主創(chuàng)新成果。要獲得突破 性進(jìn)展 ，很大程度上依賴于建立新技術(shù)和新方法。我們在總體研究思路上，實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合、分析與綜合相結(jié)合、微觀與宏觀相結(jié)合、離體與在體相結(jié)合、隨機(jī)與穩(wěn)態(tài)相結(jié)合、科學(xué)探索與技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合。這是基于我們以往對細(xì)胞信號隨機(jī)動態(tài)的深入研究，經(jīng)過多次跨學(xué)科研討，凝練出的科學(xué)問題，是生命科學(xué)、系統(tǒng)與控制科學(xué)、非線性物理科學(xué)領(lǐng)域共同關(guān)心的基本問題。為本項(xiàng)目攻關(guān)提供了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)。 本項(xiàng)目提托中關(guān)村地區(qū)的學(xué)術(shù)環(huán)境優(yōu)勢，發(fā)揮綜合大學(xué)的多學(xué)科攻關(guān)優(yōu)勢，利用多個國家級研究基地的資源優(yōu)勢，包括生物膜與膜生物工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、分子科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室、生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。 我們可以通過限速反應(yīng)、或某些 “限速 ”的網(wǎng)絡(luò)模塊 (module)，發(fā)展基于信號傳遞或 信息流的網(wǎng)絡(luò)分解方法。在分子水平 上 ，研究重要信號蛋白 的 動態(tài) 行為及相互作用 ； 在細(xì)胞 器水平 上， 研究鈣信號、 ROS 信號的動態(tài)及其與信號蛋白的相互作用 ； 在細(xì)胞 水平 上， 研究 鈣信號螺旋波，鈣信號與 ROS 信號相互 作用 ，信號蛋白的 空間定位和 調(diào)控 網(wǎng)絡(luò)等；在整體水平 上 ，將采用基因敲除鼠和轉(zhuǎn)基因鼠 方法， 研究信號蛋白的功能 及其整合調(diào)控關(guān)系。開展 小分子 信使 （如離子、 ROS等）的檢測及其生物學(xué)功能 研究；發(fā)展 SRET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測多個蛋白相互作用的調(diào)控機(jī)理 研究 。用獨(dú)立成分分析以及去卷積計(jì)算細(xì)胞信號的時空序列。 細(xì)胞信號成像將采用激光共聚焦顯微成像系統(tǒng) 。一方面是針對參與鈣信號和 ROS 相互作用的關(guān)鍵蛋白，利用基因敲除、定點(diǎn)突變等遺 傳干預(yù)手段“牽一發(fā)而動全身”，通過單因素變化導(dǎo)致的多因素變化來推斷多信號體系內(nèi)的調(diào)控關(guān)系；另一方面在大量時空動態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，從控制原理和優(yōu)化理論的角度研究系統(tǒng)的性質(zhì)，揭示微觀隨機(jī)信號形成系統(tǒng)穩(wěn)健性的原理。 三、研究方案 1. 總體學(xué)術(shù)思路： 首先，我們基于以往突破性進(jìn)展的基礎(chǔ)，繼續(xù)深入研究細(xì)胞鈣信號和超氧炫的時空動態(tài)及其調(diào)控機(jī)制。 五年預(yù)期目標(biāo) : 1. 在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，建立完善 的信號時空動態(tài)實(shí)驗(yàn)體系 ，重點(diǎn)加強(qiáng)高分辨、新模態(tài)顯微成像 和 分子探針 平臺， 發(fā)展顯微圖像實(shí)時處理和三維重構(gòu)技術(shù)，爭取實(shí)現(xiàn)若干關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新； 2. 闡明 細(xì)胞 鈣信號納米尺度局部控制機(jī)制和鈣 穩(wěn)態(tài)維持條件。 分子 機(jī)制的 異常 可造成 突觸 形成和 神經(jīng)環(huán)路功能 的異常 ，導(dǎo)致 腦功能（如記憶和 學(xué)習(xí) ）損傷和失常 。工作記憶所儲存的信息包括抉擇時刻的外部刺激、動物本身的需求和相關(guān)的回憶，是動物做出合理抉擇的關(guān)鍵；反之，抉擇行為的結(jié)果又決定了動物工作記憶的內(nèi)容和模式，并將行為的后果存入 及 更替過去的 記憶。 課題三 神經(jīng)環(huán)路信號傳遞、整合與儲存 研究神經(jīng)環(huán)路中信息傳遞、整合與儲存的機(jī)制有助于我們深入理解腦的工作原理以及動物行為產(chǎn)生的機(jī)制。 主要研究內(nèi)容 ： 1. 大腦皮層 和脊髓背角神經(jīng)元產(chǎn)生及神經(jīng)遞質(zhì)表型決定的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī) 制； 2. miRNA 在大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞命運(yùn)決定、定向遷移、軸樹突分化、軸突生長導(dǎo)向中的作用 ； 3. 大腦皮層及脊髓神經(jīng)元有序遷移及軸突投射的導(dǎo)向機(jī)制 。以下將按課題順序敘述擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要研究內(nèi)容。 TRPC6 通過下調(diào) Aβ 的產(chǎn)生減少其對突觸的毒性，改善了行為 。完善工作記憶的神經(jīng)元環(huán)路模型 ； 9. 闡明 MeCP CDKL5 和 UBE3A突變致神經(jīng)環(huán)路發(fā)育異常的機(jī)制，闡明 TRPC6 調(diào)控分泌酶，確定 AD鼠中 TRPC6通道對學(xué)習(xí)和記憶的影響 ； 10. 確認(rèn) GAT1 對小鼠類精分癥狀的影響，明確 BDNF/TrkBASIC 調(diào)控途徑在痛信號傳遞和維持過程中作用的重要性 。探討各種工作記憶機(jī)制的合理性 ； 9. 研究 敲除 ErbB4 基因的小鼠的突觸傳遞， MeCP2 和 CDKL5 敲除小鼠的學(xué)習(xí)行為， 研究過表達(dá)TRPC6 通道影響 g 分泌酶的活性，檢測 AD 鼠中過表達(dá) TRPC6通道對學(xué)習(xí)和記憶能力 ； 10. 檢測 GAT1 敲除小鼠類精分癥狀的作用 , ASIC 如何參與 BDNF 對于神經(jīng)環(huán)路的調(diào)節(jié)作用。觀察在氣味編碼、強(qiáng)化學(xué)習(xí)及抉擇等神經(jīng)過程中與多巴胺能神經(jīng)元的活動相關(guān)聯(lián)的蘑菇體小葉興奮模式的變化 ； 8. 建立猴等模式動物的工作記憶范式。觀察到的模式動物在工作記憶和抉擇任務(wù)中的行為規(guī)律，完善工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)元環(huán)路模型 ； 9. 觀察 kenyon神經(jīng)元軸突與用多巴胺、 octopamine、 GABA 等為遞質(zhì)侵入蘑菇體內(nèi)的神經(jīng)元纖維末梢的聯(lián)接規(guī)則及支配 關(guān)系 ； 10. 研究 敲除 ErbB4 基因的小鼠癲癇發(fā)生發(fā)展過程， 研究鈣離子是否介導(dǎo) RPC6 對 Aβ 水平的影響 ； 11. 研究 GAT1 敲除小鼠中前額葉腦區(qū) GABA 能緊張性電流；研究BDNFTrkB 信號通路對 ASIC 的影響，尋找 ASIC 上精胺敏化的位點(diǎn)。 特異敲除 ErbB4 基因， 建立研究 Aβ 產(chǎn)生和積累的模型 ； 11. 研究 GAT1 敲除小鼠行為學(xué)表型，研究 BDNF 急性、慢性處理對 ASIC 表達(dá)及功能的調(diào)控作用 。 創(chuàng)新點(diǎn)和特色 ： 從神經(jīng)環(huán)路的形成 與功能的層面來了解 腦 疾病 發(fā)病機(jī)理， 以期為 開發(fā)有臨床運(yùn)用前景的預(yù)防與治療方法提供新思路。 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 ：從分子 、細(xì)胞、環(huán)路、到整體行為等多層次、 多 角度展開實(shí)驗(yàn)和理論緊密結(jié)合的研究，揭示神經(jīng)環(huán)路實(shí)現(xiàn)工作記憶和抉擇行為的機(jī)理 ，以期進(jìn)一步認(rèn)識其它 認(rèn)知 功能 的環(huán)路機(jī)制 。 課題四 工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ) 本課題采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，圍繞工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制展開深入研究。具有相對成熟的神經(jīng)細(xì)胞生物學(xué)分析手段、工具病毒載體構(gòu)建技術(shù) 和光敏感離子通道激活技術(shù)。 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 ： 圍繞神經(jīng)元形態(tài)發(fā)生、突觸的形成及修剪機(jī)制，從細(xì)胞骨架、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、基因表達(dá)調(diào)控等多層次多角度 地 展開研究 。成功獲得了多個 與 研究相關(guān)的轉(zhuǎn)基因小鼠品系。神經(jīng)元遷移和軸突投射的研究中，特別關(guān)注已知的神經(jīng)軸突導(dǎo)向因子對新生神經(jīng)元遷移發(fā)揮的作用 、 闡明相關(guān)的信號機(jī)制。 五 個課題的研究方案，依以下順序分別進(jìn)行描述：環(huán)路 的 形成 → 環(huán)路的 功能 → 環(huán)路的 異常 。這些課題緊密圍繞神經(jīng)環(huán)路的形成及功能展開研究。 6) 培養(yǎng) 學(xué)術(shù)骨干 的基礎(chǔ)科研能力，使之 成為他們所 在的研究領(lǐng)域中享有國際聲譽(yù)的科學(xué)家。 4) 五 個課題 有機(jī)聯(lián)系、 技術(shù)交叉 。 力爭 在神經(jīng)細(xì)胞的產(chǎn)生和分化、細(xì)胞定位、突觸形成和 修剪 、感覺信息 的傳遞、 整合 與儲存、 工作記憶和抉擇的環(huán)路機(jī)制 、環(huán)路形成與功能的異常等前沿研究領(lǐng)域中 取得重要進(jìn)展。 建立從微觀的分子 /細(xì)胞水平研究 與 宏觀的系統(tǒng) /行為 研究 之間的橋梁 。 3) 在神經(jīng)環(huán)路 異常分子機(jī)制 方面 ， 將 重點(diǎn)研究 智障基因?qū)е掳d癇易感的環(huán)路 形成異常、抑制性突觸傳遞系統(tǒng)調(diào)控 與癲癇發(fā)生的關(guān)系 、離子通道失常對神經(jīng)元存活與突觸和神經(jīng)環(huán)路異常的作用 。 5) 開展 與臨床研究人員的 交流與 合作關(guān)系， 以擴(kuò)展具有 臨床應(yīng)用前景 的基礎(chǔ)研究 。 三、研究方案 本項(xiàng)目由 五 個有內(nèi)在聯(lián)系的研究課題組成，每個課題由 34 個神經(jīng)科學(xué)研究所的研究組合作完成。同時，將研究病理狀態(tài)下（包括癲癇、智障和老年癡呆）神經(jīng)環(huán)路的變化。在神經(jīng)元產(chǎn)生和 命運(yùn)決定的調(diào)控機(jī)制研究中將特別關(guān)注三類調(diào)控方式： 1）轉(zhuǎn)錄調(diào)控 、 2）表觀遺傳學(xué)調(diào)控 、 3） miRNA 調(diào)控 ，以期 發(fā)現(xiàn) 有 關(guān)鍵作用的 新的 調(diào)控分子 、 闡明相應(yīng)的上下游信號機(jī)理。 可行性分析 ： 已建立實(shí)驗(yàn)必需的雞胚和鼠胚電場轉(zhuǎn)基因、 單細(xì)胞遷移導(dǎo)向分析、 神經(jīng)干細(xì)胞培養(yǎng)、 病毒包裝感染等關(guān)鍵技術(shù) 。 課題二 神經(jīng)環(huán)路形成和可塑性的分子機(jī)制 圍繞神經(jīng)元極性建立、軸樹突的生長、突觸形成、樹突 與突觸 的 選擇性 修剪等重要問題，開展以下研究： 1）神經(jīng)元形態(tài)發(fā)生的細(xì)胞骨架機(jī)制和不對稱膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制； 2）神經(jīng)元電活動、分泌性因子對樹突形成與修剪和突觸功能的影響；3）表 觀遺傳因素介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控對神經(jīng)環(huán)路可塑性的影響。 已獲得 一些與本課題相關(guān)的前期工作成果 。 可行性分析 ：已建立完善的實(shí)驗(yàn)體系，主要學(xué)術(shù)骨干在以上研究領(lǐng)域均 有較好的工作積累 ，已獲得 一些與本課題相關(guān)的前期 工作成果， 有望取得進(jìn)一步的突破。理論的結(jié)果和預(yù)測 將對 動物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析 提供新的思路 。 課題五 神經(jīng)環(huán)路異常的分子機(jī)制 本課題 將結(jié)合基因剔除 /過表達(dá)技術(shù)、動物行為分析 、 影像技術(shù) 、 細(xì)胞培養(yǎng)、電生理技術(shù)、 及生化實(shí)驗(yàn)方法 ，研究 與疾病相關(guān)的 神經(jīng)環(huán)路 異常的分子機(jī)制。 四、年度計(jì)劃 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 檢測 Sirt1 對神經(jīng)干細(xì)胞庫的影響；研究 Ezh2 對新生神經(jīng)元的調(diào)控 ； 2. 收集和制備實(shí)驗(yàn)所需的各種轉(zhuǎn)基因小鼠；尋找決定 Gad67 時空正確表達(dá)的調(diào)控序列 ； 3. 確定 Slit/Robo 在大腦皮層神經(jīng)元遷移中的作用及分子機(jī)理 ； 4. 發(fā)展檢測 Rab5 和 Rab10 等活性的靈敏 FRET 探針 ； 5. 篩選可被神經(jīng)元電活動調(diào)控的，調(diào)節(jié)樹突形態(tài)與突觸功能的新基因；篩選 MeCP2 調(diào)控基因 ； 6. 鑒定皮層錐體細(xì)胞的軸突通道亞型及其電壓依賴特性；研究視覺如何調(diào)節(jié) Mauthner 細(xì)胞的聽覺和行為 ； 7. 通過電生理和鈣影像技術(shù)尋找果蠅味覺二級和高級神經(jīng)元以及嗅覺三級神經(jīng)元； V1 神經(jīng)元集群的時序?qū)W習(xí)與記憶 ； 8. 建立小鼠的工作記憶的行為范式，光遺傳手段，以及相關(guān)生理和行為學(xué)的檢測；研究果蠅中抉擇行為的動態(tài)性，及其涉及的神經(jīng)環(huán)路與機(jī)制 ； 9. 建立生物學(xué)上合理的大尺度的神經(jīng)元環(huán)路模型 ； 10. 研究 CDKL5 和 MeCP2 的相互關(guān)系。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 1. 確定 Sirt1 的表型；通過體內(nèi) Ezh2抑制實(shí)驗(yàn)以及 miR26 過表達(dá)實(shí)驗(yàn)來闡述兩者的相互作用； 2. 分析 nestin轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)表型；分析神經(jīng)細(xì)胞中是否存在細(xì)胞特異性基因組 DNA 重組； 3. 研究遷移神經(jīng)元中極性黏附受RhoA/myosin 和極性信號復(fù)合物Par3/Par6/aPKC 的影響 ； 4. 研究 Rab Rab Calpain 以及Caspase3 的時空激活規(guī)律； 5. 對基因芯片篩選出的基因進(jìn)行鑒定與確認(rèn) ；建立 MeCP2 轉(zhuǎn)基因小鼠篩選在不同組織特異性高表達(dá)和敲除 MeCP2 的小鼠 ； 6. 測定抑制性中間神經(jīng)元動作電位爆發(fā)的位點(diǎn)，研究多巴胺神經(jīng)系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)視覺對聽覺功能和行為的調(diào)節(jié)； 7. 研究視覺信號對果蠅嗅覺和神經(jīng)元嗅覺反應(yīng)的影響；研究皮層活動狀態(tài)對時序?qū)W習(xí)和記憶的影響； 8. 研究對前額葉投射神經(jīng)元的精細(xì)連接規(guī)則。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1. 研究 Ezh2 對神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生新生神經(jīng)元以及神經(jīng)元發(fā)育的調(diào)控機(jī)制 ； 2. 分析 NP1,NP2 條件敲除小鼠脊髓背角神經(jīng)元的軸樹突投射是否發(fā)生異常 ； 3. 研究 Rab10 效應(yīng)蛋白對神經(jīng)元極化的影響 ； 4. 研究新篩選出基因?qū)渫话l(fā)育與突觸功能的調(diào)節(jié)作用；觀察MeCP2 轉(zhuǎn)基因小鼠中突觸發(fā)育是否受到影響 ； 5. 研究神經(jīng)調(diào)質(zhì)受體與 Na+通道亞型在軸突始段的共存關(guān)系，研究Mauthner 細(xì)胞上的視覺輸入如何受到多巴胺系統(tǒng)的門控 ； 6. 檢測對味覺和嗅覺都有反應(yīng)的神經(jīng)元的性質(zhì)；研究 STDP 在初級視皮層群體神經(jīng)元中的作用 ； 7. 記錄多巴胺等神經(jīng)調(diào)質(zhì)如何改變神經(jīng)元內(nèi)在興奮性和突觸傳入。 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 四 年