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武汉物数所在嗅觉神经网络研究方面取得新进展

武汉物数所在嗅觉神经网络研究方面取得新进展

 

        近日,中科院武汉物理与数学研究所徐富强实验室与美国纽约大学医学中心Donald A. Wilson实验室合作,在嗅觉神经网络结构与功能研究中取得进展,相关结果发表在美国Journal of Neuroscience《神经科学杂志》上,武汉物数所何晓斌博士为共同第一作者。(http://www.jneurosci.org/content/33/33/13449.abstract)

  在日常生活中,我们经常有这样的体验:在饭前和饭后,对同一种美食散发的香味感觉是不同的。从神经生物学角度看,这种现象说明个体的状态影响大脑神经网络对外界信息的编码。在嗅觉系统中,嗅球(Olfactory bulb)和前梨状皮层(Anterior piriform cortex)是负责嗅觉感知的最重要区域。大脑是如何协调这些区域,从而调控对嗅觉的感知呢?

  本研究以大鼠嗅球和前梨状皮层为研究对象,以嗅觉记忆作行为测试模型,综合神经网络标记、电生理记录、动物行为学测试,系统的研究了大脑高级皮层调控嗅觉感知及辨别的神经网络机制。

  研究中利用狂犬病毒系统,追踪大鼠高级皮层对嗅球及前梨状皮层的直接调控网络,发现对前梨状皮层的调控网络主要分布在背侧和腹侧海马、内嗅皮层、杏仁核皮层区。上述区域对嗅球和前梨状皮层协同调控的神经网络, 提示嗅觉感知的调控存在丰富的神经环路基础。用药物抑制内嗅皮层(Entorhinal cortex,被病毒标记的区域)的神经元活动后,麻醉大鼠的前梨状皮层神经元自发放电活动增加;清醒并嗅闻气味时,抑制内嗅皮层增强其同侧前梨状皮层局部场电位(Local Field Potential)的振荡。在行为水平上,抑制内嗅皮层神经元活动,可显著降低受训大鼠对复杂气味的再辨别能力,对简单气味的再辨别能力则不受影响。由于内嗅皮层在记忆,感觉系统联系中起重要作用,其对前梨状皮层的调控是大脑神经网络对嗅觉感知调控的重要机制之一。

 

         双色狂犬病毒对嗅觉相关网络的标记。在AON, 杏仁核皮层区,腹侧海马,及下丘脑都发现同时被红绿色共标的神经元,说明这些区域神经元可同时协调控制嗅球和前梨状皮层,从而调节嗅觉的感知与辨别。 

  本研究成果中,徐富强研究组主要负责利用嗜神经病毒追踪嗅觉相关神经网络,搜索相关对其连接特性,及对其结构特征进行定量分析。利用嗜神经病毒跨突触追踪神经网络,属于分子病毒学、神经科学、分子探针、转基因技术、光学成像等多学科交叉领域,是近年来神经生物学发展的新方向,也是是美国、欧洲、日本、中国等新启动的脑连接组计划重要组成部分。该方向对研究大脑网络结构、信息编码机制、神经疾病相关的致病机制等方向中具有重大应用前景。

  徐富强研究组根据武汉物数所脑功能成像优势及世界神经科学前沿发展方向,于2008年在国内率先布局嗜神经病毒跨突触追踪神经网络方向,建立了一系列嗜神经工具病毒(五十余种),及多套跨突触追踪神经网络的实验体系,填补国内空白。该研究方向先后获得中科院分子病毒学国家重点实验室开放课题(2010,利用重组伪狂犬经病毒追踪嗅觉神经网络),国家自然科学基金委重大研究计划重点项目(2011)、中科院战略性先导B项目(2012)、和所135规划等的重点支持,目前已建成国内首家嗜神经工具病毒制备实验室、神经网络跨突触追踪实验室、跨突触标记网络光学成像实验室,与现有磁共振成像、光遗传学控制、电生理记录、微透析、动物行为等整合形成系统的神经科学研究平台。与普林斯顿大学、Salk研究所、美国纽约大学医学中心、上海神经所、北京生命科学研究所、武汉国家光电实验室、昆明动物所、武汉病毒所、深圳先研院、清华大学、北京大学、武汉大学、华中科技大学同济医学院、华中农业大学、第二军医大学等单位建立了合作关系。