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微型双光子荧光显微镜又一重大科研实践:祝贺胡海岚教授团队在Neuron发表论文

2021-11-19

11月18日,浙江大学医学院脑科学与脑医学学院/教育部脑与脑机融合前沿科学中心的胡海岚教授团队,在国际知名期刊Neuron在线发表了论文 Dynamics of a disinhibitory prefrontal microcircuit in controlling social competition


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这篇文章通过在显性管测试中应用光遗传学和化学遗传学操作,发现由VIP-PV-PYR 组成的微环路通过抑制与去抑制的功能性连接,在社交情境下精细地协作调控dmPFC锥体神经元的活动,从而影响小鼠在面对社会竞争时的行为表现。


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    2011年9月29日,胡海岚教授团队在《科学》杂志在线发表了题为《内侧前额叶突触强度双向调制社会等级》的研究文章。论文通过基因水平的操作调节小鼠特定脑区的活性,从而实现对小鼠行为的调控,揭开社会等级的神经环路机制。


    即增强或抑制内侧前额叶皮层中神经元的活动强度可以即时改变小鼠在竞争中的获胜几率,从而确立了前额叶皮层控制社会竞争意识、决定竞争成败的关键作用。


    然而背内侧前额叶皮层的不同细胞类型及其形成的皮层微环路在社会等级中的作用等问题仍然亟待回答。在最新论文中,胡海岚教授团队进一步揭开背内侧前额叶皮层(dmPFC)不同抑制性神经元和作为皮层信号主要输出的锥体神经元(PYR)之间的连接与调控关系,及其在小鼠社会竞争行为中的不同功能。研究发现获胜行为与血管活性肠肽(VIP) 启动的连续钙活动相关,然后是 PYR 和 PV 神经元。


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    研究团队在探索这两种神经元如何影响mPFC的活动时,与北京大学程和平院士团队进行合作。使用2.2克可佩戴式微型双光子荧光显微镜(FHIRM-TPM)在清醒活动的动物中观察脑内单个神经元水平的发放。FHIRM-TPM对特定类群神经元进行操纵的同时,记录不同类群神经元的活动变化。


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    通过在清醒小鼠中使用微型双光子显微镜和光极记录,表明 VIP 刺激直接导致 PYR 和 PV 神经元的两阶段活动模式为快速抑制然后激活。


    PV 的延迟激活意味着嵌入式反馈调整。这种去抑制的 VIP-PV-PYR 基序构成了 dmPFC 微电路的核心,以控制社会竞争。


    快速高分辨微型化双光子显微成像系统(Fast high-resolution miniature two photon microscopy, FIRM-TPM)是超维景自主研制的快速微型化双光子显微成像系统,在全球首次获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动的清晰、稳定的动态图像。


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    其产品具有高分辨、大视野等多个型号,可在动物自由活动状态下,约150 μm变焦和多平面快速切换的实时成像,并可对同一批神经元长期稳定跟踪。结合光遗传模块,还可以在结构与功能成像的同时,精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。


高分辨成像:分辨率高,为<850 nm,可实时观察树突棘等微观结构,实现亚细胞级成像。


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大视场成像:500 μm × 400 μm大视野成像,可实时记录数百个神经元,上千个突触的动态信号。神经分布情况及兴奋轨迹尽收眼底。


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多通道成像:在同一波长下,通过多个探头同时对多只动物,或者同一动物不同区域成像。可同时观察发生社交行为的两只动物的神经活动,或者观察同一动物不同核团的变化。


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双色成像:在两种不同波长下,通过同一个探头对研究区域成像。可同时观察两种分子的变化。


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三维成像:可在z轴150 μm范围内,进行三维电动变焦,实现对神经环路的观察。


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光遗传操控成像:可整合光遗传模块,对所研究细胞进行精准调控的基础上成像。


    FIRM-TPM为研究大脑的结构和功能提供了一个革命性的新工具,可融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息,成为全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的利器。


浙江大学脑科学与脑医学学院胡海岚教授与实验室前成员朱鸿博士(现埃默里大学博士后)是本文的共同通讯作者,博士生张超逸、朱鸿博士和博士生倪哲一是共同第一作者,此外博士后辛秋红、周亭亭博士和北京大学的吴润龙博士等也在其中做出了重要贡献。

该研究主要受国家自然科学基金重点项目,广东省重点领域研发计划,中国医学科学院项目,国家重点研发计划,教育部高等学校学科创新引智计划,臻溪生命科学基金,浙江省重点研发计划,上海高等研究院繁星科学基金等项目的资助。本研究还得到了北京大学前沿交叉学科研究院的程和平院士和张珏教授,美国麻省大学医学院的高光坪教授,复旦大学脑科学研究院的何苗教授,浙江大学脑科学与脑医学学院的高志华教授,马欢教授和李浩洪教授的大力支持,以及北京大学分子医学南京转化研究院——南京脑观象台提供的微型双光子成像服务。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.034


参考文献:

Weijian Zong, Runlong Wu, Mingli Li, et al. Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods, 2017, 14:713-719.

Miao Jing, Yuexuan Li, Jianzhi Zeng, et al. An optimized acetylcholine sensor for monitoring in vivo cholinergic activity. Nat Methods, 2020, 17:1139-1146.

Weijian Zong, Runlong Wu, Shiyuan Chen, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods, 2021, 18:46-49.

Zhou, T. et al. History of winning remodels thalamo-PFC circuit to reinforce social dominance. Science 357, 162-168, doi:10.1126/science.aak9726 (2017).

Wang, F. et al. Bidirectional control of social hierarchy by synaptic efficacy in medial prefrontal cortex. Science 334, 693-697, doi:10.1126/science.1209951 (2011).



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