我国科学家探索大脑神经网络形成机制获重要进展

2012-05-14

复旦大学神经生物学研究所副教授禹永春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在"脑神经环路发育研究"方面取得进展,首次发现脑神经元间由"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.

经过3年多潜心研究，复旦大学神经生物学研究所副教授禹永春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在“脑神经环路发育研究”方面取得进展，首次发现脑神经元间由“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。

这一研究不仅为科学家深入研究大脑皮层神经网络形成机制提供了重要启示，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。相关成果3日在线发表在世界顶级科技学术期刊《自然》(《Nature》)杂志上。

大脑皮层是由上百亿个神经元构成的复杂网络，大脑中一个神经元与另一个神经元相接触的部位叫做“突触”，神经元与神经元之间的相互“交流”依赖于突触，这些彼此联系的神经元构成一定的神经环路来发挥大脑的高级功能。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”，也称缝隙连接，其交流规律是，当“突触后细胞”接收到“突触前细胞”发出的不同“电信号”时，就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。

研究表明，在哺乳动物大脑皮层发育早期兴奋性神经元之间存在着大量的 “电突触”，然而，随着大脑皮层不断发育，神经元间“电突触”联系逐渐消失，取而代之的是“化学突触”。到目前为止，人们对“化学突触”研究有所深入，但对“电突触”在脑皮层神经环路发育中发挥的作用却知之甚少。

为了探索大脑“电突触”的奥秘，禹永春等通过改变兴奋性神经元间“电突触传递”的方法，首次探明了“电突触”在脑皮层神经环路发育中的重要作用。研究人员通过在体胚胎小鼠脑室微量注射“逆转录”病毒，首先标记出脑皮层上具有高亲缘性的同克隆群“姐妹神经元”，并发现在发育早期神经环路记录中，高亲缘性姐妹神经元间较非姐妹神经元有着更紧密的“电突触”联系。

进一步的研究发现，“电突触联系”在姐妹神经元间同步化放电中有关键的作用，即在接收到相同神经信号的条件下，姐妹神经元间更容易诱发同步化动作电位反应。由此可以认定，神经元间“电突触”的“信息交流”为“进化”到“化学突触”联系提供了重要的准备。研究人员又利用分子生物学的方法选择性地关闭姐妹神经元“电突触”通道，令人吃惊奇的一幕发生了：通道关闭后，姐妹神经元之间的“化学突触”联系显著下降，但是非姐妹神经元之间的“化学突触”联系没有受到影响。

上述结果表明，大脑皮层神经环路发育是有一定规律的，即神经元亲缘性越高越容易形成神经突触联系，更为重要的是，神经元亲缘性是由“电突触”联系在一起的。研究首次揭示了“电突触”和“化学突触”之间的因果联系，即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”。“电突触”引发的脑神经环路障碍，参与了导致众多中枢神经系统发育异常疾病的发生。

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