【文章內(nèi)容簡介】 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。 課題四 工作記憶和抉擇行為的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ) 工作記憶和抉擇行為相互關(guān)聯(lián)，其相關(guān)腦區(qū)也是相互重疊的。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。 本課題的關(guān)鍵問題 ： 工作記憶 與 價值抉擇的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制及其神經(jīng)計算原理。 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 。 課題五 神經(jīng)環(huán)路異常的分子機(jī)制 突觸與神經(jīng)環(huán)路功能失常 是神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要特征。 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 。 本課題的關(guān)鍵問題 ： 神經(jīng)環(huán)路 形成與功能異常的分子 機(jī)制 主要研究內(nèi)容 ： 1. 與 智障相關(guān)基因?qū)е麓竽X皮層神經(jīng)環(huán)路發(fā)育 異常 的分子機(jī)制 ； 2. 大腦皮層 GABA 抑 制性突觸傳遞在 精神分裂癥和 癲癇病發(fā)生中的作用 ； 3. 離子通道在神經(jīng)元存活和死亡過程中的作用。 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)。 同時，根據(jù)研究需求， 建立 并 完善的 細(xì)胞時空動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究體系， 發(fā)展新型顯微成像平臺，建立和培養(yǎng)一支高水平的多學(xué)科研究隊(duì)伍， 為保持和不斷提升我國在該領(lǐng)域的 研究的水平和國際影響力 奠定可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。 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。在有代表性的病理?xiàng)l件下（例如交感緊張造成的腎上腺素受體過度激動），研究鈣信號時空動態(tài)的異常，闡明其失穩(wěn)態(tài)的機(jī)制 ； 3. 定量研究細(xì)胞 ROS 爆發(fā)產(chǎn)生超氧炫的動態(tài)過程，揭示 ROS 信號穩(wěn)態(tài)維持與細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)、關(guān)鍵信號蛋白的相互調(diào)控關(guān)系，以及在有代表性的病理?xiàng)l件下ROS 動態(tài)的異常、 ROS 與鈣失穩(wěn)態(tài)的交互作用以及相關(guān)信號蛋白的作用 ； 4． 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立細(xì)胞信號反應(yīng)擴(kuò)散模型和隨機(jī)鏈模型，系統(tǒng)研究細(xì)胞鈣信號、 ROS 信號系統(tǒng)和關(guān)鍵蛋白的微觀隨機(jī)行為整合為系統(tǒng)穩(wěn)健性的基本原理，提出基于細(xì)胞信號的控 制理論和優(yōu)化理論。 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“百人計劃”等學(xué)術(shù)帶頭人 48 名 。從而造就 一批在細(xì)胞信號時空動態(tài)研究領(lǐng)域有國際競爭力的優(yōu)秀中青年科學(xué)家和后備人才， 建設(shè) 一支結(jié)構(gòu)合理、具備攻堅能力的國際水平研究隊(duì)伍； 6． 主辦 1～ 2 次細(xì)胞信號 動態(tài)國際學(xué)術(shù)會議，強(qiáng)化我國在該領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)地位； 7. 研究成果主要以研究論文和獨(dú)立開發(fā)的技術(shù)成果（專利）形式公布，五年內(nèi)爭取發(fā)表 SCI 論文 100 篇，其中 相關(guān)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊不少于 40%，力爭在Cell、 Nature 或 Science 上發(fā)表論文，并申報專利 10 項(xiàng) 。 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。這些調(diào)控機(jī)制必然涉及相關(guān)信號通路一些關(guān)鍵蛋白，我們將通過對這些蛋白分子動態(tài)和相互作用的研究深入地闡明它們與鈣信號和ROS 信號系統(tǒng)的相互調(diào)控。這三個方面在思路上以分析為主。 在上述分析的基礎(chǔ)上，我們將通過兩種方式進(jìn)行整合研究。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。 細(xì)胞信號時空動態(tài)研究很大程度上依賴研究技術(shù)的進(jìn)步。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。 2. 技術(shù)路線及可行性： 本項(xiàng)目將采取 多學(xué)科相互交叉、滲透和有機(jī)結(jié)合的途徑，重點(diǎn)圍 繞鈣信號和 ROS信號時空動態(tài) 關(guān)系，研究關(guān)鍵 信號蛋白 如何 相互作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，結(jié)合分子探針、顯微成像關(guān)鍵技術(shù)的完善與發(fā)展，系統(tǒng)地開展跨學(xué)科的基礎(chǔ)研究。 細(xì)胞信號成像將采用激光共聚焦顯微成像系統(tǒng) 。在 需要較高時間分辨率的研究中采用高速共聚焦系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集 速率 可達(dá) 100～ 1000 幀 /秒，細(xì)胞的三維掃描可在 1 秒中完成。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。為了高效率處理大量多維圖像數(shù)據(jù)，我們將發(fā)展經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)驅(qū)動 (empirical, datadriven)分析方法，利用主成分分析進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，把降維后的數(shù)據(jù)投射到一個 Langevin 方程上，衍生出一系列小規(guī)模的動力系統(tǒng)。用獨(dú)立成分分析以及去卷積計算細(xì)胞信號的時空序列。 在關(guān)鍵信號蛋白的研究中，我們將利用在分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)以及生物化學(xué)方面的良好工作基礎(chǔ)， 根據(jù) 項(xiàng)目對信號蛋白的觀測需求 ，采用不同技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)信號蛋白及其相互作用的可視化。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 。 我們還將 設(shè)計具有特殊光學(xué)性質(zhì)的熒光蛋白 、 pHluorin與信號蛋白 的 表達(dá) 體系 ，進(jìn)行穩(wěn)定遺傳 。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 。由于在 心臟細(xì)胞 等 高度分化的細(xì)胞表達(dá)分子探針還有相當(dāng)?shù)睦щy，我們將先用細(xì)胞株和植物細(xì)胞進(jìn)行篩選，條件成熟的探針可以構(gòu)建腺病毒或慢病毒轉(zhuǎn)染表達(dá)體系。 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。 為深 入闡述信號微觀 隨機(jī) 動態(tài)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的相互關(guān)系，我們將 在多種尺度上開展 研究。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。我們既在 離 體 細(xì)胞 內(nèi) 研究 信使分子的時空動態(tài)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，也 在 動物活體 上 觀 測分子信號的動態(tài) ， 將 離體與在體研究相統(tǒng)一 。 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 。 雖然系統(tǒng)的維數(shù)很大， 但是 通常只有幾個 反應(yīng)是限速的 (ratelimiting)。 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。 我們將基于反應(yīng)擴(kuò)散型偏微分方程、 GinzburgLandau 非線性偏微分方程等建立心肌細(xì)胞鈣信號螺旋波的數(shù)學(xué)模型，開展對螺旋鈣波動力學(xué)行為的研究。 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。我們將推廣謝曉亮的 單分子 米氏方程理論，建立包含多類分子的反應(yīng)通路的動力學(xué)，然后 發(fā)展多尺度分子交互系統(tǒng)的理論。 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。因此，本項(xiàng)目承擔(dān)單位具有 良好的研究條件和研究基礎(chǔ) 。 承擔(dān)本項(xiàng)目研究工作的中堅力量都是細(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。更為重要的是，本項(xiàng)目成員多年來保持密切交流和合作，不 僅多次召開學(xué)術(shù)研討會，還產(chǎn)生了多項(xiàng)重要合作研究成果。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)。 3. 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 本項(xiàng)目 是 根據(jù) 國際研究前沿和熱點(diǎn) ， 結(jié)合 我國在細(xì)胞信號 時空動態(tài)研究的 特色和優(yōu)勢，針對可能獲得突破的關(guān)鍵科學(xué)問題而提出的。 其 創(chuàng)新 性 主要體現(xiàn)在： （ 1）研究目標(biāo)的創(chuàng)新。 本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是微觀隨機(jī)信號整合成細(xì)胞調(diào)控穩(wěn)態(tài)的基本原理。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。 （ 2） 研究思路的創(chuàng)新。 細(xì)胞信號過程是一個多層次復(fù)雜 、動態(tài) 體系。深入研究這一動態(tài) 體系 中 細(xì)胞信號的相互作用 規(guī)律需要整合不同學(xué)科的優(yōu)勢 。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。用不同思路、從不同角度 進(jìn)攻同一關(guān)鍵問題。 （ 3） 研究方法的創(chuàng)新 。 研究 細(xì)胞 信號 激活的時間、空間、幅度以及與上 下游 信號分子 相互作用 有 很大的技 術(shù)難度。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。 本項(xiàng)目將充分利用項(xiàng)目組成員的研究特長，建立和發(fā)展 高分辨率顯微成像技術(shù) 、基于 拉曼光譜的新模態(tài)顯微成像技術(shù) 、 基于非天然氨基酸的 蛋白質(zhì)標(biāo)記技術(shù)、基于 熒光蛋白的 信號分子 探針技術(shù) 、 光激活熒光蛋白及蛋白相互作用 的動態(tài)檢測技術(shù) 、 基因打靶技術(shù)、 RNA 干擾技術(shù)等 新的 綜合平臺 ，為深入揭示 細(xì)胞信號 時空動態(tài)創(chuàng)造得天獨(dú)厚的實(shí)驗(yàn)條件。 本項(xiàng)目的顯著特色是多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)。 本項(xiàng)目的主要研究骨干來自 北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院、化學(xué)學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院，中科院生物物理所 ， 中科院植物所，北京師范大學(xué) 和中南民族大學(xué) ，匯聚 了 來自細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué) 、 化學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)、工學(xué)等 多學(xué)科 的專家 ，聯(lián)合組成跨學(xué)科攻關(guān)團(tuán)隊(duì) 。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。 4. 課題設(shè)置 本項(xiàng)目圍繞總體目標(biāo)，設(shè)立六個課題組 ： 課題 1 細(xì)胞鈣信號的時空特異性調(diào)控 研究內(nèi)容： 通過過去三十多 年的不懈探索，細(xì)胞鈣信號的微觀性質(zhì)已經(jīng)逐步闡明，但這些信號如何控制并產(chǎn)生復(fù)雜的胞內(nèi)動態(tài)行為尚知之甚少，限制了對有關(guān)生理和病理過程的深入認(rèn)識。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。 研究目標(biāo)： 本課題的總體目標(biāo)是闡明細(xì)胞鈣信號納米尺度局部控制機(jī)制和細(xì)胞鈣信號自組織機(jī)制，闡明單線態(tài)氧分子等超氧信號與細(xì)胞鈣振蕩的相互作用 ，從而對細(xì)胞鈣信號異常如何導(dǎo)致心律失常等重大疾病這一長期未能闡明的問題提供新的分子病理機(jī)制。 承擔(dān)單位： 北京大學(xué)、北京師范大學(xué) 課題組長： 王世強(qiáng) 學(xué)