973项目申报书-神经环路的形成、功能与可塑性

973项目申报书-神经环路的形成、功能与可塑性内容摘要：

听觉和味觉之间的调控与整合的突触和环路机制 ， 及 其 在动物行为中 的功能 ； 3. 皮层 神经环路学习和存储视觉经验中时序信息的 机制。 课题四 工作记忆和抉择行为的神经环路基础 工作记忆和抉择行为相互关联，其相关脑区也是相互重叠的。 工作记忆所储存的信息包括抉择时刻的外部刺激、动物本身的需求和相关的回忆，是动物做出合理抉择的关键；反之，抉择行为的结果又决定了动物工作记忆的内容和模式，并将行为的后果存入 及 更替过去的 记忆。 本课题的关键问题 ： 工作记忆 与 价值抉择的神经环路机制及其神经计算原理。 主要研究内容 ： 1. 工作记忆的神经环路机制 ； 2. 抉择行为的神经环路机制 ； 3. 工作记忆和抉择行为的神经环路的理论模型。 课题五 神经环路异常的分子机制 突触与神经环路功能失常 是神经系统疾病的重要特征。 分子 机制的 异常 可造成 突触 形成和 神经环路功能 的异常 ，导致 脑功能（如记忆和 学习 ）损伤和失常。 本课题的关键问题 ： 神经环路 形成与功能异常的分子 机制 主要研究内容 ： 1. 与 智障相关基因导致大脑皮层神经环路发育 异常 的分子机制 ； 2. 大脑皮层 GABA 抑 制性突触传递在 精神分裂症和 癫痫病发生中的作用 ； 3. 离子通道在神经元存活和死亡过程中的作用。 项目名称： 细胞信号时空动态的前沿研究和关键技术 首席科学家： 王世强 北京大学 起止年限： 至 依托部门： 教育部 二、预期目标 本项目的总体目标： 我们将在深入分析细胞钙信号、线粒体 ROS 信号与关键蛋白的时空动态活动的基础上，运用实验分析和理论建模相结合的方法系统地分析信号间相互调节、相互控制的关系，阐明细胞信号微观随机动态呈现系统稳态的基本原理，并有重点地揭 示有关病理条件下信号系统失稳态的机制， 为基于 细胞 信号 的 药物创新 提供理论基础。 同时，根据研究需求， 建立 并 完善的 细胞时空动态实验研究体系， 发展新型显微成像平台，建立和培养一支高水平的多学科研究队伍， 为保持和不断提升我国在该领域的 研究的水平和国际影响力 奠定可持续发展的基础。 五年预期目标 : 1. 在现有的基础上，建立完善 的信号时空动态实验体系 ，重点加强高分辨、新模态显微成像 和 分子探针 平台， 发展显微图像实时处理和三维重构技术，争取实现若干关键技术的自主创新； 2. 阐明 细胞 钙信号纳米尺度局部控制机制和钙 稳态维持条件。 在有代表性的病理条件下（例如交感紧张造成的肾上腺素受体过度激动），研究钙信号时空动态的异常，阐明其失稳态的机制 ； 3. 定量研究细胞 ROS 爆发产生超氧炫的动态过程，揭示 ROS 信号稳态维持与细胞钙稳态、关键信号蛋白的相互调控关系，以及在有代表性的病理条件下ROS 动态的异常、 ROS 与钙失稳态的交互作用以及相关信号蛋白的作用 ； 4． 在实验数据的基础上，建立细胞信号反应扩散模型和随机链模型，系统研究细胞钙信号、 ROS 信号系统和关键蛋白的微观随机行为整合为系统稳健性的基本原理，提出基于细胞信号的控 制理论和优化理论。 5. 培养硕士博士 研究生 60～ 80 名，博士后 10～ 20 名，国家杰出青年基金获得者、教育部“长江学者 ” 、中科院“百人计划”等学术带头人 48 名。 从而造就 一批在细胞信号时空动态研究领域有国际竞争力的优秀中青年科学家和后备人才， 建设 一支结构合理、具备攻坚能力的国际水平研究队伍； 6． 主办 1～ 2 次细胞信号 动态国际学术会议，强化我国在该领域的国际学术地位； 7. 研究成果主要以研究论文和独立开发的技术成果（专利）形式公布，五年内争取发表 SCI 论文 100 篇，其中 相关领域主流学术期刊不少于 40%，力争在Cell、 Nature 或 Science 上发表论文，并申报专利 10 项。 三、研究方案 1. 总体学术思路： 首先，我们基于以往突破性进展的基础，继续深入研究细胞钙信号和超氧炫的时空动态及其调控机制。 这些调控机制必然涉及相关信号通路一些关键蛋白，我们将通过对这些蛋白分子动态和相互作用的研究深入地阐明它们与钙信号和ROS 信号系统的相互调控。 这三个方面在思路上以分析为主。 在上述分析的基础上，我们将通过两种方式进行整合研究。 一方面是针对参与钙信号和 ROS 相互作用的关键蛋白，利用基因敲除、定点突变等遗 传干预手段“牵一发而动全身”，通过单因素变化导致的多因素变化来推断多信号体系内的调控关系；另一方面在大量时空动态实验数据的基础上构建数学模型，从控制原理和优化理论的角度研究系统的性质，揭示微观随机信号形成系统稳健性的原理。 细胞信号时空动态研究很大程度上依赖研究技术的进步。 我们的前沿探索将对显微成像技术、分子探针、多维图像算法等提出较高的需求，因此将发挥项目组成员的多学科优势实现新模态、高分辨、高通量成像技术的自主创新。 2. 技术路线及可行性： 本项目将采取 多学科相互交叉、渗透和有机结合的途径，重点围 绕钙信号和 ROS信号时空动态 关系，研究关键 信号蛋白 如何 相互作用实现稳态这一关键科学问题，结合分子探针、显微成像关键技术的完善与发展，系统地开展跨学科的基础研究。 细胞信号成像将采用激光共聚焦显微成像系统。 在 需要较高时间分辨率的研究中采用高速共聚焦系统，数据采集 速率 可达 100～ 1000 帧 /秒，细胞的三维扫描可在 1 秒中完成。 我们将自行研制 STED系统用于空间高分辨成像，研制 CARS和 SRS 系统用于非荧光探针成像。 为了高效率处理大量多维图像数据，我们将发展经验性数据驱动 (empirical, datadriven)分析方法，利用主成分分析进行数据降维，把降维后的数据投射到一个 Langevin 方程上，衍生出一系列小规模的动力系统。 用独立成分分析以及去卷积计算细胞信号的时空序列。 在关键信号蛋白的研究中，我们将利用在分子生物学、细胞生物学以及生物化学方面的良好工作基础， 根据 项目对信号蛋白的观测需求 ，采用不同技术途径实现信号蛋白及其相互作用的可视化。 我们将 在 “大肠杆菌 哺乳细胞 ”穿梭体系和分子进化平台的基础之上，构建新颖的高通量变异体筛选库， 实现 非天然氨基酸 分子标记。 我们还将 设计具有特殊光学性质的荧光蛋白 、 pHluorin与信号蛋白 的 表达 体系 ，进行稳定遗传。 开展 小分子 信使 （如离子、 ROS等）的检测及其生物学功能 研究；发展 SRET技术，实现检测多个蛋白相互作用的调控机理 研究。 由于在 心脏细胞 等 高度分化的细胞表达分子探针还有相当的困难，我们将先用细胞株和植物细胞进行筛选，条件成熟的探针可以构建腺病毒或慢病毒转染表达体系。 通过系统优化， 我们将 推动 探针技术 成为实验室常规技术，实现对信号蛋白及其 相互作用 的高时空分辨探测。 为深 入阐述信号微观 随机 动态与系统稳态的相互关系，我们将 在多种尺度上开展 研究。 在分子水平 上 ，研究重要信号蛋白 的 动态 行为及相互作用 ； 在细胞 器水平 上， 研究钙信号、 ROS 信号的动态及其与信号蛋白的相互作用 ； 在细胞 水平 上， 研究 钙信号螺旋波，钙信号与 ROS 信号相互 作用 ，信号蛋白的 空间定位和 调控 网络等；在整体水平 上 ，将采用基因敲除鼠和转基因鼠 方法， 研究信号蛋白的功能 及其整合调控关系。 我们既在 离 体 细胞 内 研究 信使分子的时空动态和信号转导，也 在 动物活体 上 观 测分子信号的动态 ， 将 离体与在体研究相统一。 通过数学建模，将实验事实与生物学规律联系起来，通过对数据的拟合，建立细胞信使动态和稳态相统一的理论 模型。 虽然系统的维数很大， 但是 通常只有几个 反应是限速的 (ratelimiting)。 我们可以通过限速反应、或某些 “限速 ”的网络模块 (module)，发展基于信号传递或 信息流的网络分解方法。 我们将基于反应扩散型偏微分方程、 GinzburgLandau 非线性偏微分方程等建立心肌细胞钙信号螺旋波的数学模型，开展对螺旋钙波动力学行为的研究。 以单分子 米氏方程 为基础建立单分子反应模型， 进一步 建立分子寡聚体系的数学动力学模型，通过 Monte Carlo 仿真获得分子寡聚体系动态行为。 我们将推广谢晓亮的 单分子 米氏方程理论，建立包含多类分子的反应通路的动力学，然后 发展多尺度分子交互系统的理论。 本项目提托中关村地区的学术环境优势，发挥综合大学的多学科攻关优势，利用多个国家级研究基地的资源优势，包括生物膜与膜生物工程国家重点实验室、分子科学国家实验室、生物大分子国家重点实验室等。 因此，本项目承担单位具有 良好的研究条件和研究基础。 承担本项目研究工作的中坚力量都是细胞 信号 动态研究、分子探针研究、 新一代 显微成像和 多维 图像处理 等相关 领域的学术带头人 ， 拥有卓著的研究成果和丰富的 研究经验， 部分成员的研究在国际同领域居主导地位。 更为重要的是，本项目成员多年来保持密切交流和合作，不 仅多次召开学术研讨会，还产生了多项重要合作研究成果。 为本项目攻关提供了强强联合、优势互补的学术团队。 3. 创新点与特色： 本项目 是 根据 国际研究前沿和热点 ， 结合 我国在细胞信号 时空动态研究的 特色和优势，针对可能获得突破的关键科学问题而提出的。 其 创新 性 主要体现在： （ 1）研究目标的创新。 本项目拟解决的关键科学问题是微观随机信号整合成细胞调控稳态的基本原理。 这是基于我们以往对细胞信号随机动态的深入研究，经过多次跨学科研讨，凝练出的科学问题，是生命科学、系统与控制科学、非线性物理科学领域共同关心的基本问题。 （ 2） 研究思路的创新。 细胞信号过程是一个多层次复杂 、动态 体系。 深入研究这一动态 体系 中 细胞信号的相互作用 规律需要整合不同学科的优势。 我们在总体研究思路上，实验与理论相结合、分析与综合相结合、微观与宏观相结合、离体与在体相结合、随机与稳态相结合、科学探索与技术创新相结合。 用不同思路、从不同角度 进攻同一关键问题。 （ 3） 研究方法的创新。 研究 细胞 信号 激活的时间、空间、幅度以及与上 下游 信号分子 相互作用 有 很大的技 术难度。 要获得突破 性进展 ，很大程度上依赖于建立新技术和新方法。 本项目将充分利用项目组成员的研究特长，建立和发展 高分辨率显微成像技术 、基于 拉曼光谱的新模态显微成像技术 、 基于非天然氨基酸的 蛋白质标记技术、基于 荧光蛋白的 信号分子 探针技术 、 光激活荧光蛋白及蛋白相互作用 的动态检测技术 、 基因打靶技术、 RNA 干扰技术等 新的 综合平台 ，为深入揭示 细胞信号 时空动态创造得天独厚的实验条件。 本项目的显著特色是多学科联合攻关。 本项目的主要研究骨干来自 北京大学生命科学学院、工学院、化学学院、数学学院，中科院生物物理所 ， 中科院植物所，北京师范大学 和中南民族大学 ，汇聚 了 来自细胞生物学、生物物理学、分子生物学、生物信息学 、 化学、光学、数学、工学等 多学科 的专家 ，联合组成跨学科攻关团队。 团队中，生命科学专家提出关于生命活动信号调控的基本问题，并从分子、细胞到整体进行实验研究；长期致力于生命过程研究的数学家以实验数据为基础，通过抽象、建模、仿真，对细胞信号时空过程的稳态机制进行理论升华；化学生物学家通过设计分子探针，实现信号分子的动态和相互作用研究；来自工学院的专家一方面为项目中成像技术和数据分析提供支撑，也将产生研究技术的自主创新成果。 4. 课题设置 本项目围绕总体目标，设立六个课题组 ： 课题 1 细胞钙信号的时空特异性调控 研究内容： 通过过去三十多 年的不懈探索，细胞钙信号的微观性质已经逐步阐明，但这些信号如何控制并产生复杂的胞内动态行为尚知之甚少，限制了对有关生理和病理过程的深入认识。 为此，本课题主要研究细胞钙信号的微观控制和时空自组织过程，包括钙火花发生过程中 L 型钙通道与钙释放通道间纳米尺度局部控制、钙火花通过钙致钙释放自激形成螺旋钙波和钙振荡的时空动态，同时与课题二合作研究细胞钙信号时空动态与超氧信号的相互关系。 研究目标： 本课题的总体目标是阐明细胞钙信号纳米尺度局部控制机制和细胞钙信号自组织机制，阐明单线态氧分子等超氧信号与细胞钙振荡的相互作用 ，从而对细胞钙信号异常如何导致心律失常等重大疾病这一长期未能阐明的问题提供新的分子病理机制。 承担单位： 北京大学、北京师范大学 课题组长： 王世强 学。