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    腦智卓越中心等關于多特征神經元新型標記工具的研究獲進展

      6月23日,《自然-通訊》(Nature Communications)在線發表了題為An intein-split transactivator for intersectional neural imaging and optogenetic manipulation的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心徐春研究組與中科院上海巴斯德研究所龍鋼研究組合作完成。該研究開發了對多特征神經元標記、記錄和操控的新型分子工具,揭示了腹側海馬神經元的投射模式與情緒編碼的對應關系,為解析復雜神經環路的結構與功能提供了更精細且廣泛適用的工具集。

      大腦神經元具有復雜多樣的細胞類型。細胞類型的精確定義對剖析大腦神經環路連接與功能具有關鍵作用,將幫助科學家更好地探索神經系統的工作原理。神經細胞類型的精確定義往往依賴于多條件交叉的標記技術。然而,目前已有的工具方法復雜繁瑣,其標記的特性數量有限,并時常面臨無法有效表達光遺傳和鈣成像相關分子的問題。因此,如何提高交叉標記工具的有效性和標記特征的數量仍是領域內的難題。

      為了解決上述問題,該研究利用內含肽介導的蛋白剪接技術,在神經細胞內實現了控制子(tTA)在蛋白水平的組裝。該組裝具有多條件交叉的特點,并可有效地驅動一系列效應基因的表達,從而實現多特征神經元的特異性標記和功能研究(圖1A)。研究人員將該工具稱為IBIST(intein-based intersectional synthesis of transactivator)。研究團隊在驗證IBIST工具的特異性和有效性后,在小鼠海馬腦區和獼猴視皮層腦區進行多種實例研究展示。研究結合神經環路連接和神經元分子標簽等多種特征,在小鼠海馬腦區的特定細胞群體中表達光遺傳蛋白,實現了光遺傳學操控(圖1B 、C)。此外,該研究利用5個特征精確定義了海馬腦區的多目標投射神經元,并進行了鈣成像記錄(圖1D、E)。

      該工作開發了新的分子工具,基于分子標簽和環路連接等多種特征靶向標記特定細胞類型,并對這些多特征神經細胞進行鈣成像記錄和光遺傳操控。與以往的方法相比,該分子工具可以實現更精細復雜的多特征標記,更高效地驅動效應基因的表達,更簡單直接地設計質粒和實驗方案,以及更廣泛適配于現有常用的工具病毒和小鼠品系(圖2)。該研究為神經環路的結構與功能研究提供了利器,并進一步揭示了海馬細胞對情緒信息處理的多樣性規律。

      研究工作得到上海市、科技部、中科院、國家自然科學基金和臨港實驗室的支持。

      論文鏈接 

      圖1.IBIST工具的開發與應用。A、IBIST工具的質粒設計和工作原理;B、利用IBIST工具標記接收背側海馬輸入的腹側海馬CA1的SOM+中間神經元,表達光遺傳蛋白NpHR;C、黃光操控SOM中間神經元的電活動;D、利用IBIST工具在投射到4個下游腦區的海馬興奮性神經元(CaMKIIα標記)當中表達鈣指示蛋白GCaMP6s;E、海馬神經元的熒光信號和鈣反應。

    圖2.基于多特征標記特定細胞類型的策略與前景。


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