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囊性纤维化跨膜调控因子在前额叶皮层认知功能中的作用及啁啾脉冲放大飞秒激光消融技术在神经生物学上的应用

2020-12-02阅读(588)

囊性纤维化跨膜调控因子在前额叶皮层认知功能中的作用及啁啾脉冲放大飞秒激光消融技术在神经生物学上的应用

论文摘要

囊性纤维化跨膜调控因子(CFTR)是一种ATP结合的氯离子通道,接受胞内cAMP/PKA磷酸化的调控,并广泛分布于外周各种器官组织,参与调节氯离子平衡和细胞稳态。先前的研究述了CFTR通道在中枢神经系统存在表达,但是CFTR通道是否同样通过调控神经元胞内氯离子水平来影响前额叶皮层的神经网络目前仍缺乏研究。本研究中通过免疫组织化学染色、氯离子成像、膜片钳记录和双光子成像等手段,全面地分析了CFTR通道在前额叶皮层的具体功能。发现调节CFTR通道活性能够改变体外培养的前额叶皮层神经元结构复杂度、胞内氯离子水平;影响离体脑片第5层锥体神经元的静息膜电位水平以及诱发动作电位的各项参数;同时对抑制性突触传递产生显著改变。此外,通过活体实验,我们发现抑制或下调CFTR通道可以增加初级运动皮层轴突和胞体的钙离子活性,并对动物的运动学习产生促进作用。以上的结果表明,CFTR通道能够通过调节细胞内氯离子水平影响前额叶皮层神经元兴奋性,这对阐明氯离子通道在前额叶皮层的功能及机制具有重要的理论意义。靶向性的细胞消融对研究神经网络中单个细胞功能至关重要。为了快速而精确的在活体脑内对目标细胞进行定点消融,我们开发了以啁啾脉冲放大飞秒激光为基础的双光子显微镜系统,靶向性的针对单细胞进行消融,并实时监测活体动物脑内细胞网络的活性变化。通过精密的交互式控制激光脉冲,在不额外损伤周围神经纤维网络的情况下,完成单一激光脉冲对目标细胞的消融。通过该技术,我们对小鼠初级运动皮层第2/3层的单一生长抑素(SST)阳性的中间神经元进行消融,发现少数SST细胞的失活足以增加运动学习过程中周围神经网络的兴奋性。此外,通过对第5层锥体神经元的顶侧树突分支进行切除,显示出不同的顶侧树突分支在结构和功能上相对独立。通过在时空结构上对目标细胞或其分支进行快速消融,本系统能够成为一种研究复杂神经网络中单细胞功能的强有力工具。

论文目录

  • 摘要（一）
  • abstract（一）
  • 摘 要（二）
  • ABSTRACT（二）
  • 第一部分 囊性纤维化跨膜调控因子在前额叶皮层认知功能中的作用
  •   第1章 引言
  •     1.1 囊性纤维化病（CF）与囊性纤维化跨膜调控因子（CFTR）
  •       1.1.1 囊性纤维化病（CF）的病症
  •       1.1.2 囊性纤维化跨膜调控因子（CFTR）及其基本结构
  •     1.2 CFTR的表达分布与具体功能
  •       1.2.1 CFTR在不同组织的表达情况
  •       1.2.2 CFTR功能分类
  •     1.3 .CF及 CFTR在神经系统的研究进展
  •       1.3.1 CFTR在神经系统的表达
  •       1.3.2 CF病症在神经病理和行为上的异常
  •       1.3.3 CFTR在神经系统的功能研究
  •     1.4 尚缺乏研究的科学问题
  •     1.5 CFTR在前额叶皮层有丰富表达但其功能不明
  •   第2章 材料与方法
  •     2.1 实验动物
  •     2.2 实验仪器
  •     2.3 实验药品和试剂
  •       2.3.1 药品
  •       2.3.2 试剂
  •       2.3.3 抗体
  •       2.3.4 病毒
  •     2.4 实验方法
  •       2.4.1 免疫组织和细胞化学
  •       2.4.2 神经元体外培养
  •       2.4.3 免疫印迹
  •       2.4.4 电生理实验
  •       2.4.5 行为药理学实验
  •       2.4.6 双光子活体成像
  •       2.4.7 氯离子成像
  •     2.5 数据分析和处理
  •       2.5.1 免疫荧光共定位分析
  •       2.5.2 膜片钳电信号处理
  •       2.5.3 双光子活体钙信号处理
  •       2.5.4 统计学分析
  •   第3章 实验结果
  •     3.1 囊性纤维化跨膜调控因子（CFTR）在离体神经元上的表达分布
  •       3.1.1 CFTR抗体特异性的验证
  •       3.1.2 囊性纤维化跨膜调控因子在培养离体神经元上的分布变化
  •     3.2 调节囊性纤维化跨膜调控因子活性改变离体神经元结构形态
  •     3.3 调节囊性跨膜调控因子活性引起离体神经元胞内氯离子变化
  •     3.4 囊性纤维化跨膜调控因子在大鼠脑内的表达分布
  •       3.4.1 CFTR在神经系统中的分布具有较大的特异性
  •       3.4.2 CFTR在第5层锥体神经元上有显著分布,在部分中间神经元上有表达
  •       3.4.3 CFTR与神经元轴突有显著的共定位,但在树突上仅有少量分布
  •     3.5 前额叶皮层第5层神经元存在CFTR介导的氯离子电流
  •     3.6 改变CFTR活性影响前额叶皮层第5层神经元兴奋性
  •       3.6.1 激活CFTR通道超极化锥体神经元静息膜电位
  •       3.6.2 CFTR活性变化改变诱发的电生理特性
  •     3.7 改变CFTR活性影响神经元突触信号传递
  •     3.8 CFTR影响活体神经元活性和行为水平
  •       3.8.1 抑制CFTR活性改变小鼠学习进程
  •       3.8.2 抑制CFTR活性上调小鼠在运动学习过程中的信号输入
  •   第4章 讨论
  •   第5章 结论与展望
  •     5.1 结论
  •     5.2 展望
  •   参考文献
  • 第二部分 啁啾脉冲放大飞秒激光消融技术在神经生物学上的应用
  •   第1章 引言
  •     1.1 细胞消融概述
  •     1.2 细胞消融的具体方法
  •       1.2.1 化学消融法介导细胞消融
  •       1.2.2 遗传学方法介导细胞消融
  •       1.2.3 光诱发的基因操控法
  •       1.2.4 激光介导的细胞消融法
  •     1.3 啁啾脉冲放大技术的基本原理与应用
  •   第2章 材料与方法
  •     2.1 实验动物
  •     2.2 病毒注射
  •     2.3 手术
  •     2.4 染料标记
  •     2.5 跑步机训练
  •     2.6 双光子显微镜
  •     2.7 啁啾脉冲放大激光介导细胞消融
  •     2.8 神经细胞可视化
  •     2.9 数据分析方法
  •   第3章 实验结果
  •     3.1 啁啾脉冲放大激光与双光子活体成像结合可以达到亚微米级别精确消融
  •     3.2 啁啾脉冲放大激光可以介导细胞消融
  •     3.3 啁啾脉冲放大消融技术能够在精细空间尺度上对细胞及亚细胞结构进
  •     3.4 啁啾脉冲放大激光消融技术可以精细改变单个神经细胞及局部神经网络功能
  •   第4章 讨论
  •     4.1 啁啾脉冲放大激光与普通扫描激光诱导细胞消融的优势对比
  •     4.2 激光介导细胞消融与生物基因介导细胞消融的优劣势对比
  •     4.3 啁啾脉冲放大技术的缺陷
  •   第5章 结论与展望
  •     5.1 结论
  •     5.2 展望
  •   参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间的研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 成宗岳

    导师: 李葆明,甘文标

    关键词: 前额叶皮层,囊性纤维化跨膜调控因子,神经元兴奋性,突触传递及可塑性,认知功能,啁啾脉冲放大,飞秒激光,细胞消融,双光子显微镜,活体

    来源: 南昌大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学

    单位: 南昌大学

    分类号: Q42

    DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.002178

    总页数: 175

    文件大小: 10779k

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