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我们对理解制造幼虫和成人神经系统的发展逻辑感兴趣。在每个谱系内建立神经元多样性的代码是什么?[幼体中枢神经系统] 在神经发生的胚胎阶段产生的神经元表型与 [成人] 在胚胎后阶段产生的神经元表型相比如何?不同的谱系与幼体和成体 CNS 的电路结构有什么关系?人们能把离散的行为角色归因于给定谱系的神经元吗?这些角色是如何通过昆虫进化改变的?

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在我的职业生涯中,我一直在发展、内分泌学和行为的交叉领域工作。我在 Janelia 的团队也有类似的重点,使用发育和内分泌学方法来理解神经系统的组织和功能。

高等昆虫神经系统的发育,如果蝇特别有趣,因为这些动物有两个活跃的生命阶段,被深刻的蜕变分开。通过它们的生活史,它们产生两个连续的神经系统,分别适应幼虫和成虫阶段的功能。尽管在大小和复杂性上有显著的不同,但是幼虫和成虫的神经系统仍然是相互联系的。对于中央脑和腹侧 CNS,两个阶段的神经元是由同一组神经元干细胞产生的,即神经干细胞 [NBs]。这些 NBs 在早期胚胎发生时与神经外胚层分离,并构成了一套典型的神经元前体细胞。有超过 100 对的神经网络构成了大脑的神经元,还有大约 30 对的重复集合产生了节段性神经节的神经元。每个 NB 经历重复的不对称分裂。每个分裂的较小产品是神经节母细胞 (GMC),通常一次分裂产生两个女儿,“A” 和 “B”。 “在胚胎发育过程中,NBs 产生一小群最初的不同神经元,形成幼虫的 CNS。NBs 随后进入休眠状态,但在幼虫生长过程中重新激活,形成成虫使用的更大的神经元集。每个 NB 的胚后谱系通常由两个神经元类组成,即对应于 GMC 分裂的两个女儿的 “A” 和 “B” 半神经。我们发现,半衰期的神经元通常共享共同的分子表达、路径寻找选择、初始目标以及可能的功能。

我们的研究集中在幼虫中枢神经系统的神经元上。

幼虫大脑每半球大约有 1,000 个神经元,相比之下,成年人的中央大脑每半球大约有 20,000 个神经元。在 FlyLight 项目的支持下,我们已经对 Rubin Gal4 增强子收集的 7,200 个系的幼虫 CNS 表达模式进行了成像。该集合为我们提供了构成幼虫大脑和腹侧中枢神经系统的神经元类型的详细目录,也提供了对绝大多数幼虫神经元的实验性访问。

在解剖学方面,我们感兴趣的是幼虫大脑的电路结构与成人的比较。其他实验室对幼虫和成虫嗅觉回路的详细比较 [例如,Ramaekers 等人,2005 当代生物学 15, 982-992] 已经注意到,虽然神经元的数量和神经收敛和发散的程度有很大的不同,幼虫和成人的嗅觉系统包含相似的神经元类别,但是幼虫在给定类别中只有少数细胞,而成人有许多细胞。因此,幼虫的嗅觉系统拥有一个嗅觉系统线路的 “基本电路”,然后在成年人身上变得更加精细。我们认为元素回路的概念远远超出了嗅觉回路,简化后的幼虫大脑将提供对回路基序的洞察,这些基序是大脑和腹侧中枢神经系统其他区域的特征。这将有希望提供一些用于形成功能大脑的电路逻辑,也为理解成人大脑区域更复杂的线路提供简单模型。

长期以来,人们一直对理解中枢神经系统的神经元如何处理变态时身体形态的深刻变化感兴趣。大约 40 年前,我们发现许多幼体神经元生活在这种变性隆起中,在长出新的分支以建立它们的成年连接之前,经历对它们的轴突和树突分支的极端修剪。输入果蝇然而,修剪和再生的程度只记录了少数中央神经元,如电视神经分泌细胞和蘑菇体的 γ 神经元。我们想知道不同组的中间神经元是否通过变态经历不同程度的重塑,以及从幼虫到成年人的电路连接保留到什么程度?使用各种翻转策略和鲁宾收藏的稀疏线条, 我们通过变态系统地跟踪幼虫中间神经元,以便我们最终可以比较幼虫和成人个体神经元和回路的形式和功能。

除了作为解剖学和发育研究的基础,一个幼体神经元数据库还为幼体群体的行为研究提供了解剖学基础。Marta Zlatic和的Lynn Riddiford,以及新生幼虫奥林匹克项目。我自己的小组对控制幼虫摄食行为 (李峰) 和蜕皮行为的回路特别感兴趣。

成体特异性谱系

输入果蝇和其他昆虫一样,一个神经元的特性是基于它的起源谱系。我们的主要兴趣之一是理解控制这种身份的规则。然而,除了是发展的单位,我们认为血统是功能和进化的单位。然而,为了测试后一种想法,我们需要工具来允许我们操纵特定的谱系和半尼基,这样我们就可以检查它们所包含的神经元的功能作用。

基于谱系的 CNS 功能研究工具的开发

我们的基于 hemilinage 的方法需要能够将基因表达定位到单个定义的 hemilinage 的驱动线。考虑到这个目标,我们正在与Barret Pfeiffer杰拉尔德 · 鲁宾在 Janelia 构建这样的线的图书馆。我们的起始材料是 Rubin enhancer 系列的 7,200 条线。然而,虽然这些线中的许多显示在特定的谱系或半谱系中表达,但很少有人将它们的表达限制在单一谱系或半谱系中。此外,大多数增强子的表达非常动态,并驱动幼虫和成人中不同神经元组的表达。与鲁宾集团合作,我们正在设计交叉策略,将表达限制在幼虫中枢神经系统的单一谱系或半衰期。幼虫的表达依赖于幼虫取食 RU486,一种孕酮模拟物,并在选定的半衰期的细胞中产生活性重组酶。然后重组酶从肌动蛋白> stop> LexA 构建体中移除一个 “stop” 盒,从而允许 LexA 在半衰期的组成型表达。肌动蛋白驱动的表达在苍蝇的生命中保持,而原始增强子变得不起作用,因为 RU486 从食物中被去除。我们的目标是生成一个这样的线库,覆盖中央大脑和中央中枢神经系统的所有半衰期。这个图书馆将成为研究神经元谱系和半神经的发育、功能和进化方面的平台。

神经元表型的产生

我们想了解决定每个神经爆炸产生的神经元身份的分子代码。对于位于中央大脑和节段性神经节的 ~ 140 个独特的神经肿瘤,是否存在适用于整个集合的神经元表型的总体规则, 或者是否有 140 个特别的指示来确定每个血统的身份?我们关注的是为特定神经肿瘤、它们的 GMCs 或它们的女儿提供分子标记的转录因子。一种方法是使用抗体来定义谱系细胞中的转录模式。我们已经鉴定了在给定谱系的所有 GMCs 中表达的核心 GMC 基因,在所有子神经元中表达的核心谱系基因, 和只在 A 或 B 女儿中表达的核心半生物基因。我们正在使用功能丧失和功能获得的方法来确定这些基因在控制神经元身份和发育中的作用。到目前为止,我们发现核心 GMC 基因通常参与建立一个或两个同胞的身份,这些基因的丢失导致同胞身份的重大转变。相比之下,对于核心半生物基因来说,功能的丧失不会引起特性的明显变化,而是神经元表型的选定方面发生了改变; 例如, 突变神经元导航到新的初始目标,但保持该类型神经元的其他特性。

成人神经团的构建

我们有兴趣了解谱系神经元的早期分子表达与它们构建的回路之间的关系。然而,首先,我们需要知道血统和 hemilineages 是如何相互作用形成成熟的神经原。我们已经从构成中枢神经系统腹侧神经的谱系开始。胸椎神经节中的主要神经团是外侧腿神经团和背侧飞行的神经团。17 个半腿神经致力于制造每条腿的神经,而另外 10 个半腿神经为飞行神经提供了半脑的贡献。腿神经瘤开始时是一个分裂的神经瘤,每个半衰期的末端都占据了形成结构中的一个专属区域。当类固醇信号引起不成熟神经元的旺盛萌芽和分区消失时,半个神经之间的界限一直保持到变态开始。一个重要的问题是分区边界上的邻居与最终突触伙伴的关系。在早期发育的神经肽中,最初的接触预示着在成熟的 CNS 中看到的主要突触伙伴吗?

使用我们正在开发的特定线路,我们可以驱动不同的荧光蛋白在半神经系统中,这些荧光蛋白在构建腿或飞行神经干细胞时可能相互作用。协同菲利普 · 凯勒集团,我们将使用培养的神经系统和实时成像技术来跟踪不同的半衰期开始 “连接” 的行为。金博宝188登录

谱系的行为功能

由于许多中间神经元的功能类别是基于半神经, 我们认为,拥有一个基于半衰期的驱动程序库将允许对中枢神经系统的神经元类进行系统操作,并评估每种神经元在行为中的作用。作为原则的证明,我们从制造胸椎神经斑块的血统开始,因为这些可以直接与行走和飞行行为的模式和协调相关联。这项工作的最初阶段,由罗宾 · 哈里斯进行, 涉及对苍蝇的视频和高速视频分析,其中特定的半衰期分别被沉默或使用 UAS-shibirits 或 UAS-trpA1 激活。随后的实验将进入光学技术,以激活特定谱系的神经元或监测它们的活动。金宝搏官方

血统的宏观和微观进化

我们正专注于研究中枢神经系统神经元组成的变异以及这种变异与行为的关系。因为我们认为给定类中的次级神经元具有广泛重叠的功能, 这些神经元数量的改变可能会增加或减少它们所属网络内的时间和空间计算。当我们完成每个半衰期的分子标记收集时,我们可以问一个给定的干细胞产生的神经元数量有多恒定?在幼虫生长过程中,数量会随着苍蝇数量的不同而变化,还是会响应环境因素?这种变化与功能有什么关系?例如,如果苍蝇被选择为降低飞行能力,那么我们是否会看到与飞行相关的半神经的中间神经元数量相应减少,但与腿相关的半神经没有变化?

我们也对与中枢神经系统的进化和多样化有关的更广泛的问题感兴趣。之后,我们描述了在每个半衰期产生的神经元。黑腹果蝇,然后我们可以探索这些表型类在进化过程中的稳定性。其他昆虫,如飞蛾、甲虫和蜜蜂的同源干细胞产生的神经元, 是否具有与苍蝇相同的初始投射模式和相同的递质表型?对于显著不同的谱系,我们感兴趣的是这种差异如何反映在分子表达中,特别是核心 GMC 、谱系和半生物基因。如果存在分子差异 (例如,蛾子谱系有一个在同源苍蝇谱系中没有表达的转录因子,或者反之亦然),那么我们可以去果蝇在苍蝇 CNS 中进行适当的分子变化并产生蛾子型神经元?

有趣的是,一些半职业的大多数或所有成员在出生后不久就去世了,并且对正常的成人神经系统没有贡献。我们怀疑这些神经元类在更多的基底昆虫中存活并发挥功能,但在高度衍生的 CNS 中丢失。果蝇。我们能在其他昆虫中找到这些神经元吗?它们的表型和功能是什么?虽然它们通常不存在于苍蝇中,但我们可以研究它们在果蝇通过基因阻止他们的死亡。然后它们会被纳入成人电路吗?如果会,它们的存在会如何影响其他谱系和整个中枢神经系统的发育和功能?