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Nature:复旦大学探索大脑“电突触”奥秘

脑神经元间由“电突触”介导的信息交流在大脑皮层神经环路发育中有重要作用——近日复旦大学专家的这项新发现,不仅为科学家深入研究大脑皮层神经网络形成之谜提供了重要启示,也为脑神经环路发育异常相关疾病(如小儿癫痫、自闭症、智力发育迟滞等)的诊断和治疗提供了新思路和新靶点。

大脑皮层中的神经突触环路是怎样形成的?神经环路的形成有没有什么基本规律可循?全世界的神经科学家都在长期研究。科学家把大脑中突触前细胞通过释放特殊化学物质将信息转送到突触后细胞,称之为化学突触;把借助于电信号传递信息,称为“电突触”,它会使大脑分别产生兴奋、兴奋性上升或下降、或不易产生兴奋等神奇现象,因而被普遍认为在神经元相互信息交流中有重要作用。

复旦大学神经生物学研究所禹永春副教授领衔的课题组与美国纽约斯隆凯特琳癌症研究中心时松海课题组合作探索大脑“电突触”之奥秘。通过改变兴奋性神经元间“电突触传递”的方法,他们首次探明了“电突触”在脑皮层神经环路发育中的重要作用:在大脑皮层发育过程中如果没有电突触就不会形成化学突触,为人类深入探索大脑的奥秘向前迈出重要一步,对人类由神经环路发育异常引起的相关疾病的诊断和治疗有重大意义。

来自复旦大学医学神经生物学国家重点实验室,纪念斯隆-凯特琳癌症中心等处的研究人员发表了题为“Preferential electrical coupling regulates neocortical lineage-dependent microcircuit assembly”的文章,首次发现在人类大脑皮层神经环路上,有一种瞬态电耦合介导的信息交流主导着脑神经的发育,这将有助于了解大脑神经网络形成,以及智力发育迟滞等方面疾病。相关成果公布在Nature杂志上。

文章的通讯作者和第一作者之一是复旦大学禹永春副教授,禹永春副教授早年毕业于延边大学,曾于纪念斯隆-凯特琳癌症中心等处进行深造,2009年回国加入复旦大学,研究方向为应用电生理、小鼠遗传分析、小鼠胚胎电转导、脑片单细胞电转导、分子生物学和各种体外培养等技术,研究哺乳动物脑皮层神经突出环路的发育。

文章的另外两位通讯作者分别是纪念斯隆-凯特琳癌症中心的时松海和何树劲(Shuijin He),这项研究由禹永春副教授领衔的课题组与美国纽约斯隆凯特琳癌症研究中心时松海课题组合作完成。

放射性胶质细胞(Radial glial cells)是整个中枢神经系统所有细胞谱系最直接的干细胞,参与一切最重要的神经发生过程。一直是神经发育学的热点细胞,相关文章很多。这种细胞被认为是发育大脑皮层中的初级神经祖细胞,然而目前关于这种细胞在大脑皮层发育过程中的的作用机制了解得并不清楚。

在这篇文章中,研究人员首次证明在人类大脑皮层神经环路上,有一种电突触介导的信息交流主导着脑神经的发育。研究人员发现放射性姐妹兴奋性神经元之间的瞬态电耦合能调控大脑皮层特异性化学突触的依次形成。

并且他们还通过多电极全细胞记录仪,发现在出生后早期阶段,姐妹兴奋性神经细胞会与自身强电耦合,而不会选择相邻的非姐妹兴奋性神经细胞。这种选择性允许姐妹兴奋性神经细胞之间的选择性电通讯,这将促进其动作电位的产生,以及同步发射。

有趣的是虽然这种电交流在化学突触出现后会大面积消失,但是阻断这种电交流会影响个体发育姐妹兴奋性神经细胞之间特殊化学突触的依次形成。

这些实验数据表明,在细胞系依赖的瞬态电耦合,和大脑皮层精确兴奋性神经细胞微环境之间存在强烈联系。

通过这项研究,科学家们破解脑皮层环路发育过程中一个个神经元相互交流信息的“秘密语言”,而正是这种“秘密语言”,预示着有的人生而自闭、有的人因大脑“来电”过多过频而出现癫痫。这些研究成果将有利于找到靶向自闭症和癫痫的靶点。

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Preferential electrical coupling regulates neocortical lineage-dependent microcircuit assembly

DOI:10.1038/nature10958

Radial glial cells are the primary neural progenitor cells in the developing neocortex. Consecutive asymmetric divisions of individual radial glial progenitor cells produce a number of sister excitatory neurons that migrate along the elongated radial glial fibre, resulting in the formation of ontogenetic columns. Moreover, sister excitatory neurons in ontogenetic columns preferentially develop specific chemical synapses with each other rather than with nearby non-siblings. Although these findings provide crucial insight into the emergence of functional columns in the neocortex, little is known about the basis of this lineage-dependent assembly of excitatory neuron microcircuits at single-cell resolution. Here we show that transient electrical coupling between radially aligned sister excitatory neurons regulates the subsequent formation of specific chemical synapses in the neocortex. Multiple-electrode whole-cell recordings showed that sister excitatory neurons preferentially form strong electrical coupling with each other rather than with adjacent non-sister excitatory neurons during early postnatal stages. This preferential coupling allows selective electrical communication between sister excitatory neurons, promoting their action potential generation and synchronous firing. Interestingly, although this electrical communication largely disappears before the appearance of chemical synapses, blockade of the electrical communication impairs the subsequent formation of specific chemical synapses between sister excitatory neurons in ontogenetic columns. These results suggest a strong link between lineage-dependent transient electrical coupling and the assembly of precise excitatory neuron microcircuits in the neocortex.


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