罗敏敏课题组

发布日期:2018-01-03 来源:本站

2017年,罗敏敏实验室在动物基本行为回路解构、免疫组织化学创新技术开发、大脑奖惩细胞信号的深度解析以及单细胞标记和全脑重构等领域都取得了很好的研究成果。全年共在Elife, Cell Research 和 The Journal of Neuroscience发表论文各1篇,另有两篇论文已经被Nature Methods及Neuron分别接受, 1篇文章正在Neuron审稿中, 与其他实验室或课题组合作发表论文4篇。

在动物基本行为回路解构领域:一方面,我们发现了侧下丘脑(LH)—中脑导水管灰质(PAG)通路在控制动物捕食行为中扮演重要角色。细胞特异性的记录、刺激和抑制实验表明,该通路的伽马氨基丁酸(GABA)能神经元控制捕食攻击的发起和维持,而位于同一通路的谷氨酸(glutamate)能神经元则控制动物逃避天敌的攻击;这项发现揭示了动物利用同一神经通路对相互拮抗的本能行为进行精巧编码和平衡控制的新机制,这些研究结果已被Neuron杂志接收即将发表。另一方面,我们发现脑桥疑核(nucleus incertus)协调控制动物的运动、觉醒和海马θ震荡。长期以来,疑核就因其广泛的前脑投射被认为与应激、行为激活和θ震荡的产生密切相关,但其机制一直不清楚。我们创新性地构建了在疑核特异性表达的Neuromedin B(神经介素B)-Cre转基因小鼠并通过一系列的组化、电生理和行为学实验证明疑核神经元的活性与动物的觉醒状态、运动和海马θ震荡成正相关,双向调控这些神经元可以相应地改变动物的状态和θ震荡的幅度。这些结果第一次系统确立了疑核神经元与动物行为激活和θ震荡幅度的对应关系,为厘清疑核功能奠定了坚实的基础,这些结果已被撰写成研究论文正在Neuron杂志接受同行评审。

在新技术开发方面,我们将传统的免疫信号(immunosignal, is)与杂交链式反应(hybridization chain reaction, HCR)的原理相结合,开发出了比传统免疫组化信号高2-3个数量级、超高信噪比的isHCR技术,并将其与最新的成像和组织透明化技术联用,在基础研究和临床痕量诊断检测方面具有广泛、深远的应用意义。众所周知,免疫组化是一项应用非常普遍的分子生物学检测技术,但其灵敏度和准确性限制了它的应用维度和对结果的判断。传统的信号放大方法多是基于共轭结合的酶和对应底物反应产生的荧光信号,其最大的缺陷是高背景信号和较差的厚组织穿透性。我们采用非酶学的方法,依靠高结合效率的生物素(Biotin)-抗生蛋白链菌素(Streptavidin,SA)为底板,并在不偶联荧光染料的SA的非二抗接合位点上,连接大量的biotin-HCR寡核苷酸,由此启动后续的HCR放大反应。由于该技术的使用提高了信号放大级联并优化了空间利用率,因此在大大提高信号强度的同时降低了背景噪音。相关研究结果已被Nature Methods杂志接收,即将发表。

在大脑奖惩细胞信号的深度解析研究方向上,2017年5月31日,罗敏敏实验室在eLife杂志上在线发表题为“Learning Shapes the Aversion and Reward Responses of Lateral Habenula Neurons”的文章,报导了哺乳动物外侧缰核(lateral habenula)如何编码奖惩信息以及学习过程是如何塑造其反应特征。我们采用光纤记录和光激活标记的方法发现多种不同的惩罚,如苦味、电击、社交攻击均能强烈激活外侧缰核神经元。厌恶事件和社交弱势都能迅速通过巴普洛夫条件性学习对预测厌恶的原中性刺激产生兴奋性反应。相反地,糖水奖赏抑制外侧缰核神经元的反应并常常伴随着兴奋性的反弹,由糖水介导的条件学习中,需要长期反复的条件化和高概率奖赏才能诱导出对预测奖赏的原中性刺激产生抑制性反应。这些结果揭示了外侧缰核神经元能够双向地编码多种厌恶和奖赏信号并可动态地被学习所塑造,提示其参与了对奖惩的经验依赖性的行为抉择反应。2017年8月8日,罗敏敏实验室又在The Journal of Neuroscience杂志上在线发表题为“Learning and Stress Shape the Reward Response Patterns of 5-HT neurons”的文章,报道了哺乳动物中缝背核(DRN)的五羟色胺(5-HT)神经元以及中脑腹侧被盖区(VTA)的多巴胺(DA)神经元对奖赏信息的编码在不同的学习阶段呈现不同的反应特征,同时这两类神经元对奖赏反应的强度受奖赏的大小、动物所处的环境压力条件等因素影响。我们发现,在条件学习最初阶段,5-HT神经元和DA神经元都会被糖水激活,而对预测糖水的声音没有明显激活。在后期的学习过中,两类神经元的活动特征逐渐呈现较大的差异。DA神经元被预测糖水的声音激活,而对糖水本身并没有明显反应。5-HT神经元对预测糖水的声音呈现持续的激活反应,其活动逐渐升高且一直持续到得到糖水达到峰值。这些结果揭示了5-HT神经元在学习过程中奖赏反应的真实动态过程,暗示了奖赏相关行为的整个进程中5-HT神经元负责处理了DA神经元没有负责编码的奖赏期待信息。

在单细胞标记和全脑重构方面,我们开发了基于腺相关病毒(AAV)的神经元稀疏标记技术,结合华中科技大学国家光电研究中心的fMOST成像系统,对中脑红核后区RRF、黑质致密部SNc、腹侧被盖区VTA的15个多巴胺能神经元精细形态结构和投射模式进行了完整追踪,汇集了超过40TB的成像数据。投射模式表明,中脑多巴胺神经元在全脑范围的多个脑区有广泛投射,这些下游目标脑区包括:负责精细运动控制和条件关联学习的纹状体(Striatum)和苍白球(GP),负责情感表达的杏仁核(Amygdala),负责记忆的海马体(Hipp),负责高级认知能力的皮层(CTX),负责奖赏学习和情绪调控的中缝背核(DRN),负责恐惧感知的导水管周围灰质(PAG)等。在VTA->NAc投射神经元的末端树状纤维(Terminal arborization)观测到可能为拓扑结构(Topography)的投射分布特征。这些结果为我们了解大脑多巴胺能神经元的精细图谱提供了重要基础,研究成果已被撰写成论文准备投稿。