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章曉輝博士,1994年畢業於杭州大學,1999年在中科院上海生理所獲得神經生理學博士學位,在1999-2002年期間,分別在美國加州大學聖迭亞哥分校生物系和柏克萊分校的分子與細胞生物學系從事博士后研究。2004年應聘擔任神經科學研究所副研究員,2007年起任研究員和課題組長。實驗室主要研究中樞抑制性輸入在單個神經元信息處理中的作用機制,以及發育早期中經驗依賴的腦功能可塑性建立的抑制性突觸機制。

 

1 章曉輝 -研究方向

大腦是一個由神經元構成的網路,神經元與神經元之間的相互聯繫依賴於突觸,這些彼此聯繫的神經元構成一定的神經環路來發揮大腦的功能。在大腦的許多區域,中間神經元釋放抑制性遞質γ-氨基丁酸(GABA),並在中樞神經系統中發揮主要的抑制作用。這種抑制作用對神經環路功能的穩態平衡、複雜性以及信息加工處理中發揮著關鍵作用。我們實驗室主要通過離體腦片(in vitro)和整體動物腦(in vivo)的電生理研究,在細胞水平上理解這些抑制作用對神經元信息處理的功能以及對經驗活動依賴的大腦可塑性的影響。正在開展的研究工作:

抑制性輸入在神經元信息處理的作用:
在中樞神經系統中,GABA能抑制性中間神經元具有繁多種類,它們通過各自在主(錐)體神經元的不同亞細胞區域(如樹突、細胞體和軸突丘)的突觸來實現對神經元信息處理的精細調控。我們已建立結合腦片電生理技術和「NEURON」計算機模擬建模計算的研究手段,並闡明了錐體神經元頂樹突對同時發生的興奮性和抑制性突觸信息的非線性(空間)加和的基本演算法規則。我們的研究將繼續系統地和定量地研究發生於神經元的胞體、基樹突或軸丘的抑制性輸入如何與同步發生的樹突遠端的非線性加和特徵,以及與非同步發生興奮性輸入的(時間)加和的規則。我們也擬將進一步研究隨機發生的(背景)抑制性突觸輸入如何調節樹突整合突觸信息過程和神經元輸入-輸出的增益及其細胞學機制。這些系統和定量的研究能使我們完全了解不同類GABA能中間神經元參與神經元信息處理的基本作用和機制。

「關鍵期」可塑性所蘊涵的抑制性作用機制:
追溯至1963年,T. Wiesel 和 D. Hubel首次描述了貓發育早期中,短期單眼視覺剝奪可以永久地減弱初級視皮層細胞對由剝奪眼輸入的視覺反應。這種「眼優勢」可塑性已成為研究經驗活動依賴的腦功能可塑性的一個經典模型。人們已知腦功能可塑性大多隻發生在(哺乳和嚙齒)動物出生后一段特定時期內,即「發育關鍵期」。中樞GABA抑制性神經環路的發育成熟可以調節此「發育關鍵期」的發生與維持,並可能是 「眼優勢」可塑性誘導發生的基本機制之一。然而,在對關鍵期「眼優勢」可塑性的機制研究中,剝奪視覺通路中興奮性突觸發生的同源長時程抑制(LTD)現被認為是誘導發生 「眼優勢」可塑性的唯一細胞學機制。因此,我們的研究方向是探索中樞GABA 能抑制作用在小鼠發育關鍵期「眼優勢」可塑性誘導發生中所發揮的潛在機制。具體而言,我們擬系統地闡明:1)早期視覺經驗(如單眼剝離、黑暗飼養等)在皮層GABA能抑制性中間神經元上的生理「印跡」;2)特定類型的中間神經元及其抑制作用參與「眼優勢」可塑性的發生的基本機制。我們主要採用整體動物(in vivo)和離體腦片(in vitro)的電生理研究技術,並結合使用分子遺傳操作的轉基因小鼠。

2 章曉輝 -代表性論文

1. Zhang, S.Y., Xu, M., Miao, Q.L., Poo, M.M.*, and Zhang, X.H.* (2009) Endocannabinoid-dependent homeostatic regulation of inhibitory synapses by miniature excitatory Synaptic activities. J. Neurosci. 29: 13222-13231.
2. Gao, L.X., Meng, X.K., Ye, C.Q., Zhang, H.T., Liu, C.H., Dan, Y., Poo, M.M, He, J.F.*, and Zhang, X.H.* (2009) Entrainment of Slow Oscillations of Auditory Thalamic Neurons by Repetitive Sound Stimuli. J. Neurosci. 29: 6013-6021.
3. Xu C., Zhao M.X., Poo M.M.* and Zhang X.H.* (2008) GABAB receptor activation mediates frequency-dependent long-term potentiation of developing GABAergic synapses. Nat. Neurosci. 11: 1410-1418.
4. Lu J.T., Li C.Y. Poo M.M.* and Zhang X.H.* (2007) Spike timing-dependent plasticity of neocortical excitatory synapses on inhibitory interneurons depends on target cell type. J. Neurosci. 27: 9711-9720.
5. Wang X. D., Hao, J., Poo, M.M. and Zhang X.H.* (2006). Arithmetic rules of synaptic integration of excitation and inhibition. In: Advances in Neural Networks - ISNN 2006, vol. 3971 (Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Press), pp. 7-14.
6. Xu, N.L., Ye, C.Q., Poo, M.M.* and Zhang, X.H.* (2006) coincidence detection of synaptic inputs is facilitated at the distal dendrites after long-term potentiation induction. J. Neurosci. 26: 3002-3009.
7. Zhang, X.H., and Poo, M.M.* (2002) Localized BDNF-induced synaptic potentiation requires local axonal protein synthesis. Neuron 36: 675-688.
8. Zhang X.H., Wu J., Shen M.X., and Zhu P.H.* (1999) Calcium release induced by high K+ and caffeine in cultured skeletal muscle cells of embryonic chicken. Pflugers Arch - Eur. J. Physiol. 438: 827-836.
9. Zhang X.H., Sun J.H., and Zhu P.H.* (1999) Effect of phorbol esters on excitation-coupling and protein kinase C activity on frog twitch muscle fibers. Pflugers Arch - Eur. J. Physiol. 438: 61-67.

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