利用雙色鈣成像對單個神經元反應特性來源的研究成果

　　7月1日,中科院上海生科院神經所郭愛克研究組在PNAS雜志發表一篇文章，該文章的研究工作引入了一種新的雙色鈣成像方法，并利用這種方法對果蠅中單個蘑菇體神經元對嗅覺刺激的反應特性是如何由前級的投射神經元轉換而來進行了探討。

　　在絕大多數情況下，單個神經元從許多突觸前神經元接收輸入，并將這些輸入信號整合為單一的輸出信號。所以，單個神經元對外界刺激的反應特性在很大程度上是由它所接收的突觸前神經元的反應特性所轉換而來的。如果能夠將一個神經元所接收的突觸前神經元的反應特性逐一測量出來，并和這個神經元自身的反應特性進行比較，就可以對這個神經元所參與的環路計算得到清晰的了解。然而，由于神經環路的結構極端復雜，迄今為止尚沒有一種有效的策略能夠將某一神經元的突觸前神經元逐一找出，并進行詳細的功能研究。

　　為了解決這個問題，郭愛克研究組引入了一種基于雙色鈣成像的新策略，并將其應用于果蠅的蘑菇體神經元(KC)上。作者們用綠色鈣指示蛋白G- CaMP標出單個KC，同時用紅色鈣指示蛋白R-GECO標出許多前級的投射神經元(PN);通過結構上的追蹤，就可以分辨出單個KC從哪些PN軸突末梢接收輸入，并用功能成像將這個KC和它所接收的PN軸突末梢對氣味的反應逐一測量出來。

　　使用這種策略，作者們發現單個KC對氣味的反應選擇性在很大程度上可以從它所接收的PN軸突末梢的氣味反應進行預測。只要將這些PN軸突末梢的氣味反應進行線性相加，并對所得到的結果和預先設定的閾值進行比較，就可以較為精確的預測單個KC對哪些氣味起反應。這說明KC對氣味的反應選擇性主要是由其接收的突觸前PN的反應特性所決定的。即使某一氣味不能激活KC的輸出，也經常可以在該KC的樹突上觀察到空間上局限于突觸后位點的鈣反應。這種局部鈣反應很可能對應于單個PN軸突末梢的激活在KC中所引起的閾下興奮性突觸后電位。單個局部鈣反應的大小和其相應的突觸前PN軸突末梢的鈣反應大小經常具有線性相關性，使作者們得以對單個突觸位點進行突觸強度的測量。另外，單個KC所接收的PN軸突末梢的數目和這些PN-KC突觸的平均強度具有反相關的關系。

　　這項工作所引入的策略對果蠅蘑菇體中的信息傳遞和整合的過程提供了一種全新的視角，并一定程度上揭示了蘑菇體神經元氣味編碼特性的來源。在未來，這種策略有可能應用于其它多種環路，以揭示更加復雜的神經元反應特性是如何產生的。

　　該課題由博士研究生李昊、李怡明、雷正昶、王開宇在郭愛克研究員指導下完成。課題受科技部973項目、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)“腦功能聯結圖譜計劃”等資助，在中科院神經科學研究所獨立完成。