線蟲味覺神經元功能成像研究

《線蟲味覺神經元功能成像研究》是依託華中科技大學，由杜偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：線蟲味覺神經元功能成像研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：杜偉
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

線蟲的味覺可塑性/學習行為是一種非常簡單的學習模式，但是對其神經元生理活動分子機理卻了解不多。光學分子成像能夠在單個神經元層面上揭示線蟲生理活動，傳統固定線蟲方法對線蟲傷害較大，難以長時間活體觀察，同時模擬外界環境的刺激困難，因此成像結果無法反映其真實生理活動。我們已建立了活體固定線蟲成像的晶片平台，本項目將進一步利用微流控生物晶片集成多種功能，即通過晶片內可控層流模擬外界環境的突變/漸變，對線蟲進行可溶物不連續/連續濃度梯度流的刺激，通過氣壓指閥與微通道實現長時間活體固定線蟲，從而建立能夠通過光學分子成像研究線蟲化學物質趨向性的技術平台。在此平台上，結合突變體分析，通過神經元內Ca2+、cGMP功能成像深入研究線蟲的味覺可塑性/學習行為及其相關神經元細胞可塑性的信號轉導途徑。本課題對於揭示高等動物神經活動的分子機理具有重要的科學參考價值，並促進化學、生物學及其交叉學科的發展和人才培養。

結題摘要

線蟲的對外界環境的感知是一種非常簡單的神經活動。因受到技術手段限制，對其神經元的生理活動進行直接研究還很少。本項目提出了基於微流控生物晶片的線蟲味覺神經元功能成像研究。通過三維微通道網路，在一塊微流控生物晶片上建立了多個功能模組，實現了線蟲的活體固定、頭部的溶液以及氣體刺激以及神經元生理活動的光學成像分析。利用該平台，我們分析了線蟲對於NaCl以及在酒精存在時的感受活動。結果表明當NaCl濃度增加時，ASER內鈣離子濃度降低；當NaCl濃度降低時，ASER內鈣離子濃度增加。酒精不影響線蟲對於NaCl濃度降低的感受，但會明顯抑制線蟲對於NaCl濃度增加的感受。在連續多次NaCl刺激下，ASER神經元內的螢光強度的變化幅度逐漸降低，表現出味覺適應性；而在酒精處理條件下，此螢光變化仍然逐漸降低，表明酒精沒有明顯抑制線蟲味覺適應性。我們進一步利用指型氣壓閥固定線蟲，通過微流泵驅動層流從而使不同的溶液交替刺激線蟲。結果表明Cu2+、SDS、高濃度甘油三種不同的溶液刺激均能引起ASH神經元內鈣離子的增加，其中Cu2+所引起的鈣峰最高。相對於野生型線蟲，osm-10突變體的ASH神經元對於高滲透壓刺激不敏感，而對於Cu2+和SDS的刺激敏感。在連續多次高滲透壓刺激下，ASH神經元內的螢光強度的變化幅度逐漸降低，即表現出神經元感受適應性。最後，我們建立了用於分析線蟲對氣體感受的微流控生物晶片平台。通過程式控制氣路電磁閥與微注射泵開閉，對固定的線蟲頭部給予精確可控的氣體刺激。結果表明氧濃度變化引起URX神經元內鈣離子濃度顯著增加，並表現出濃度依賴性。高濃度二氧化碳能夠普遍引起非特異神經元螢光減弱，表明對線蟲神經系統具有抑制作用。有機的極性揮發性氣體辛醇能夠引起ASH神經元內鈣離子濃度增加。此外，辛醇氣體雖然能迅速誘導tph-1和Ce-grk-2突變體的ASH神經元產生鈣峰，但峰值明顯降低，峰持續時間也明顯縮短。本課題對於揭示高等動物神經活動的分子機理以及神經類藥物篩選具有重要的科學參考價值，並促進生物物理、生物醫學及其交叉學科的發展和人才培養。