PNAS: 利用双色钙成像对单个神经元反应特性来源的研究成果

7月1日,中科院上海生科院神经所郭爱克研究组在PNAS杂志发表一篇文章，该文章的研究工作引入了一种新的双色钙成像方法，并利用这种方法对果蝇中单个蘑菇体神经元对嗅觉刺激的反应特性是如何由前级的投射神经元转换而来进行了探讨。

在绝大多数情况下，单个神经元从许多突触前神经元接收输入，并将这些输入信号整合为单一的输出信号。所以，单个神经元对外界刺激的反应特性在很大程度上是由它所接收的突触前神经元的反应特性所转换而来的。如果能够将一个神经元所接收的突触前神经元的反应特性逐一测量出来，并和这个神经元自身的反应特性进行比较，就可以对这个神经元所参与的环路计算得到清晰的了解。然而，由于神经环路的结构极端复杂，迄今为止尚没有一种有效的策略能够将某一神经元的突触前神经元逐一找出，并进行详细的功能研究。

为了解决这个问题，郭爱克研究组引入了一种基于双色钙成像的新策略，并将其应用于果蝇的蘑菇体神经元（KC）上。作者们用绿色钙指示蛋白G-CaMP标出单个KC，同时用红色钙指示蛋白R-GECO标出许多前级的投射神经元（PN）；通过结构上的追踪，就可以分辨出单个KC从哪些PN轴突末梢接收输入，并用功能成像将这个KC和它所接收的PN轴突末梢对气味的反应逐一测量出来。

使用这种策略，作者们发现单个KC对气味的反应选择性在很大程度上可以从它所接收的PN轴突末梢的气味反应进行预测。只要将这些PN轴突末梢的气味反应进行线性相加，并对所得到的结果和预先设定的阈值进行比较，就可以较为精确的预测单个KC对哪些气味起反应。这说明KC对气味的反应选择性主要是由其接收的突触前PN的反应特性所决定的。即使某一气味不能激活KC的输出，也经常可以在该KC的树突上观察到空间上局限于突触后位点的钙反应。这种局部钙反应很可能对应于单个PN轴突末梢的激活在KC中所引起的阈下兴奋性突触后电位。单个局部钙反应的大小和其相应的突触前PN轴突末梢的钙反应大小经常具有线性相关性，使作者们得以对单个突触位点进行突触强度的测量。另外，单个KC所接收的PN轴突末梢的数目和这些PN-KC突触的平均强度具有反相关的关系。

这项工作所引入的策略对果蝇蘑菇体中的信息传递和整合的过程提供了一种全新的视角，并一定程度上揭示了蘑菇体神经元气味编码特性的来源。在未来，这种策略有可能应用于其它多种环路，以揭示更加复杂的神经元反应特性是如何产生的。

该课题由博士研究生李昊、李怡明、雷正昶、王开宇在郭爱克研究员指导下完成。课题受科技部973项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）“脑功能联结图谱计划”等资助，在中科院神经科学研究所独立完成。

Transformation of odor selectivity from projection neurons to single mushroom body neurons mapped with dual-color calcium imaging