Cdk5通过调制抑制性神经传递限制成年视皮层可塑性

摘要

生物体在青少年时期随着不断变化的外部环境刺激，脑神经环路进行精细加工从而加速了多种感知觉的功能成熟，这个时间窗口被定义为关键期。在成年个体中可塑性迅速降低，使得脑环路得到了巩固和稳定，但同时也限制了脑功能受损（如弱视和中风等）后的功能恢复。在关键期结束后重新恢复眼优势可塑性（一种用来探测视皮层可塑性的经典模型），被认为是临床上治疗成年弱视的关键。然而，介导关键期以及可塑性消退的机制尚未完全清楚。移除一些限制因子，如NgR，CSPG，PirB和lynx1，可以使得大脑结构更加易于雕刻。鉴定新的限制成年视觉可塑性的因子以及对神经环路发育的机制的探索仍然任重而道远。在本研究中，综合运用生化分子，在体和离体电生理，药理学，RNA干扰以及行为学等实验技术，尝试探索调控视觉可塑性和提高视锐度的新的分子信号和手段，并在多层次上揭示其作用机制。
　　细胞周期蛋白依赖的激酶5(Cdk5)在脑发育和突触可塑性中发挥着至关重要的作用，其活性的异常已被暗示存在于多种神经退行性失调中。干预Cdk5可以显著减轻中风的有害影响，也可以提高AD模型小鼠的认知功能。但是，Cdk5信号在出生后的皮层环路成熟中的生理作用很大程度上不为人所知。在本研究中，发现在小鼠的初级视皮层(V1)，Cdk5的蛋白表达与关键期的时程高度相关。在关键期达到峰值时，它的表达相对于关键期前明显下降了。关键期后，它的表达又重新上升到了关键期前的水平，并在成年得到了维持。在成年小鼠中，药理学抑制或利用病毒RNA干扰方法在视皮层敲减Cdk5成功地再激活了眼优势可塑性。短时程的单眼缝合诱发了明显的眼优势偏移。单细胞动作电位发放数分析显示，在注射Cdk5抑制剂CP681301的小鼠中，单眼缝合显著降低了剥夺眼的诱发反应，而非剥夺眼的反应与对照小鼠是差不多的，表明恢复的可塑性呈现出幼年样的特征。进一步研究表明增强的可塑性伴随着GABA信号的下调，CP681301显著降低了谷氨酸脱羧酶，即GABA合成酶GAD65/67的表达，而突触后的GABAA受体α1和α2亚基则没有明显变化。另外，BDNF和神经元周网络的水平没有受CP681301的影响。Cdk5敲减也显著降低了GAD67的蛋白表达，而对GAD65的表达则呈现出温和的效应。免疫共沉淀实验也表明Cdk5与GAD67存在着相互作用。单细胞膜片钳也证实微小抑制性突触后电流(mIPSC)的幅度在抑制Cdk5后下调，而频率则出现稍微的上升。腹腔给药地西泮增强GABA信号可以浓度依赖性地阻断Cdk5抑制剂诱导的眼优势偏移。这证明了减少的抑制水平参与了眼优势可塑性的恢复。这些结果暗示了Cdk5在视觉系统发育和成熟过程中对脑环路的巩固和稳定的至关重要的作用。更重要的是，靶点Cdk5的相同的机制可能对成年阶段中枢神经系统损伤的功能恢复具有适应性的参考价值，比如弱视，中风或者神经退行性疾病。
　　视知觉学习是指通过反复的知觉任务训练从而提高感知觉能力的方法。前人的工作已表明其可用于改善成年弱视患者的视功能。然而目前对知觉学习的机制了解得还很少。利用前期建立的小鼠视知觉学习模型，从行为和分子水平上对视知觉学习的机制进行了初步探索。反转学习可以废除之前知觉训练提升的视力水平。视知觉训练没有改变V1区GADs的表达。尽管知觉训练没有改变NR2AmRNA的水平，但显著降低了NR2A蛋白的表达。任务规则学习显著降低了突触后致密区的Homer1mRNA的水平。Pinin mRNA在任务学习和知觉学习小鼠的表达显著低于未游泳的小鼠。这些因子的改变进一步暗示了视知觉学习与神经可塑性紧密的相关性。
　　综上所述，结合视知觉学习和抑制Cdk5等手段提高可塑性将是治愈成年弱视的可能途径。前者主要是发掘视觉通路中残存的可塑性，而后者通过改变兴奋抑制平衡实现可塑性的再年轻化。在将来的研究中，有必要继续深入探索它们的机制，以及它们在多种感觉系统和物种的普遍性和适用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 Gdk5在神经系统中的作用研究进展

1．1．2 Cdk5在神经系统发育中的作用

1．1．3 Cdk5在神经传递中的作用

1．1．4 Cdk5在学习和记忆中的作用

1．1．5 Cdk5与疼痛知觉

1．1．6 Cdk5在神经生物学失调和退行性疾病中的作用

1．2 经验依赖的视觉可塑性的机制研究进展

1．2．1 概述

1．2．2 双眼环路形成的机制

1．2．3 经验依赖的可塑性的分子机制

1．2．4 长时程抑制与眼优势可塑性

1．2．5 成年视觉系统可塑性

第2章 材料与方法

2．1 动物

2．2 抗体

2．3 主要试剂配方

2．4 主要仪器

2．5 免疫组织化学

2．6 免疫印迹

2．7 酶联免疫吸附实验

2．8 荧光定量PCR

2．9 全细胞记录

2．10 药物使用

2．11 单眼剥夺

2．12 在体电生理

2．13 在体RNA干扰Cdk5

2．14 视知觉学习行为学模型

2．15 统计分析

第3章 结果与讨论

3．1．1 引言

3．1．2 Cdk5在V1区的发育表达

3．1．3 药理学抑制Cdk5再激活幼年样的视觉可塑性

3．1．4 在视皮层敲减Cdk5可以恢复眼优势可塑性

3．1．5 阻断Cdk5降低皮层内GABA能的抑制水平

3．1．6 地西泮可以废除恢复的眼优势可塑性

3．1．7 讨论

3．2 第二部分：慢性提升镁浓度再激活成年小鼠的眼优势可塑性

3．2．2 长时程补充镁离子再激活视觉可塑性

3．2．3 慢性MgT处理降低皮层内GABA能的抑制水平

3．2．4 地西泮可以废除恢复的眼优势可塑性

3．2．5 讨论

3．3 第三部分：小鼠视知觉学习模型的建立和机制初步探究

3．3．2 反转学习消除视知觉训练促进的视锐度提高

3．3．3 知觉训练过程中的分子机制

3．3．4 讨论

第4章 总结与展望

参考文献

符号说明

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果