| 题名 | 基于电生理技术的移植神经干细胞功能整合和蝙蝠暗视觉进化多样性研究 |
| 作者 | 魏景宽 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2015-04 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 胡新天 |
| 关键词 | 神经干细胞 移植 调谐曲线 蝙蝠 视觉诱发电位 |
| 其他题名 | Functional integration of transplanted neural stem cells and visual divergence among bats as estimated by electrophysiological technology |
| 学位专业 | 神经生物学 |
| 中文摘要 | 第1章. 神经干细胞移植入脑内后参与清醒猕猴听觉信息的处理 干细胞移植是治疗中枢神经系统疾病的潜在方法之一。移植到脑内的干细胞分化成的神经元能否有效地整合进宿主神经网络，并参与清醒动物脑内日常信息加工过程是干细胞移植研究中的关键问题。 目前对这一问题做出肯定回答的最有力证据来自脑片上的电刺激研究，由于基于脑片上人工刺激得到的研究结果并不一定能推广到清醒动物脑内日常信息加工过程。因此，这一关键问题至今还未得到圆满解决。直接回答这个问题的最佳方案之一是在清醒动物上记录到移植新生神经元的单位放电数据，直接研究其编码特性。如果其编码特性与宿主神经元相似，则可对上述问题作出肯定的回答。但是，这一看似直接明确的研究策略在实施上却有一个很大的难点：如何将记录电极放置到移植新生神经元附近进行单位放电记录。 为此，我们在本研究中发明了一种特殊机械性损毁方法，较好地解决了这一难题。其关键是在本实验室已经很成熟的MRI精确定位技术基础上挖取下丘表层部分组织并形成规整的类圆柱形创点，同时还发展了封闭此处植入的干细胞在早期液体环境下自由漂移的技术，限定其在创点内存活生长。之后的免疫组织化学观察表明：植入的干细胞主要分化为神经元。在这些新生的神经元之间及与周边宿主细胞之间有纤维连接，并形成大量成熟兴奋性突触结构。对这些新生神经元进行的功能研究发现，在给予声音刺激时，同对照组相比，神经元活动指标c-Fos在移植新生神经元中表达呈极显著升高（P<0.01）；进一步在清醒猕猴上的多通道单位放电记录研究表明，这些新生神经元具有与正常神经元相似的频率和声音强度调谐曲线，说明它们具有了宿主下丘神经元类似的信息编码特性，因而很可能参与了脑内原有网络的信息处理过程。综合上述结果，我们首次在清醒猕猴上得到了移植新生神经元能有效地整合进宿主神经网络并参与清醒动物脑内日常信息加工过程直接证据，为干细胞替代治疗奠定了坚实的理论基础。 第2章. 利用电生理和分子生物学手段检测翼手目动物间暗视觉进化的多样性 蝙蝠（翼手目）是具有飞翔能力的哺乳动物，目前已发现的种类在哺乳动物纲中仅次于啮齿目动物。虽然所有的蝙蝠都具有暗视觉，但种类间的差异很大，并且在日常行为中所依赖的感知觉也产生分化。旧大陆果蝠（狐蝠科）有高度发达的眼睛并主要依靠视觉在微光环境中完成飞行和觅食；食虫蝙蝠的眼睛普遍不发达，听觉却高度进化，产生了回声定位系统来精确导航。比较有趣的是，食虫蝙蝠中鞘尾蝠科的蝙蝠，它们虽然进化出可以回声定位的听觉但却更倾向于使用视觉。 在本研究中，我们使用磁共振成像（MEMRI）、视觉诱发电位（f-VEP）和转录组测序（RNA-seq）等技术手段从结构、功能和基因基础三个角度分析和量化了蝙蝠间视觉的多样性差异。MEMRI结果显示，在视觉系统的重要结构上丘（SC, superior colliculus）和听觉系统的重要结构下丘（IC, inferior colliculus）的体积对比中，狐蝠科蝙蝠（SC/IC为3:1）要远大于食虫蝙蝠（SC/IC为1:7），这种脑结构上的差异构成了前者具有发达视觉能力的基础。此外，f-VEP实验直接检测了这三类蝙蝠的绝对光感知阈值，结果显示，眼睛发达的狐蝠科蝙蝠（-6.30 and -6.37, log cd/m2?s）和相对发达的鞘尾蝠科蝙蝠（-3.71）对光刺激更加敏感，能够感知的光阈值都要低于食虫蝙蝠（-1.90）。最后，RNA-seq技术对蝙蝠眼睛转录组测序发现，在狐蝠科和鞘尾蝠科蝙蝠中，与视觉通路相关的基因在正选择（positive selection）、趋同进化（convergent evolution）、表达上调（up-regulation）和基因表达模式四个方面具有相似性特征。 这些实验结果一致性的指向同一个结论，即狐蝠科蝙蝠和鞘尾蝠科蝙蝠比食虫蝙蝠具有更发达的视觉。 |
| 英文摘要 | Chapter1. Neurons differentiated from transplanted stem cells participate in normal auditory information processing in the awake monkey brain The prospect of transplanted stem cell (TSCs) therapy is limited in the brain because it is not clear whether neurons differentiated from transplanted stem cells (NDFTSC) can successfully integrate into the host neural network and participate in brain information processing. In this study we developed a brand new ‘cut & fill’ technique, in which part of the inferior colliculus was precisely cut off and stem cells were transplanted in situ. First, immunohistochemical analysis demonstrated that TSCs could differentiate into mature neurons and form synaptic connections. Second, multichannel recordings demonstrated that the NDFTSCs displayed similar characteristics of frequency and intensity tuning curves to auditory stimuli as those of the host neurons. Third, the c-Fos expression levels increased significantly in the NDFTSCs after acoustic stimulations, suggesting that there were robust auditory neuronal activities in these neurons. Together, these results suggest that the NDFTSC can functionally integrate into the host neural network and participate in the host brain information processing. This work on awake non-human primate animals has important implications for neural stem cell therapy in humans. Chapter2. Divergence of dim-light vision among bats (order: Chiroptera) as estimated by electrophysiological and molecullar methods Dim-light vision is present in all bats, but is divergent among species. Old-World fruit bats (Pteropodidae) have fully developed eyes; the eyes of insectivorous bats are generally degraded, and these bats rely on well-developed echolocation. An exception is the Emballonuridae, which are capable of laryngeal echolocation but prefer to use vision for navigation and have normal eyes. In this study, integrated methods, comprising manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI), f-VEP and RNA-seq, were utilized to verify the divergence. The results of MEMRI showed that Pteropodidae bats have a much larger superior colliculus (SC)/ inferior colliculus (IC) volume ratio (3:1) than insectivorous bats (1:7). Furthermore, the absolute visual thresholds (log cd/m2?s) of Pteropodidae (-6.30 and -6.37) and Emballonuridae (-3.71) bats were lower than those of other insectivorous bats (-1.90). Finally, genes related to the visual pathway showed signs of positive selection, convergent evolution, up-regulation and similar gene expression patterns in Pteropodidae and Emballonuridae bats. Different results imply that Pteropodidae and Emballonuridae bats have more developed vision than the insectivorous bats. |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://159.226.149.26:8080/handle/152453/10192]  |
| 专题 | 昆明动物研究所_神经系统编码 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 魏景宽. 基于电生理技术的移植神经干细胞功能整合和蝙蝠暗视觉进化多样性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015. |
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