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杜鲁门实验室

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目前的研究
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我们有兴趣了解制造幼虫和成人神经系统的发育逻辑。在每个谱系中建立神经元多样性的代码是什么?在神经结膜的胚胎阶段(对于幼虫中枢神经系统)中的神经元的表型与在胚胎后阶段(成人)中的表型相比?各种谱系与幼虫和成人中枢神经系统的电路结构的关系是什么?一个人可以将离散的行为作用归因于给定谱系的神经元吗?这些角色通过昆虫的进化如何改变?

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在整个职业生涯中,我曾在发展,内分泌学和行为的交叉点工作。我在Janelia的小组也采用了发展和内分泌方法来了解神经系统的组织和功能。

在较高昆虫中的神经系统的发展,例如果蝇特别吸引人,因为这些动物具有两个活跃的生命阶段,这些生命阶段被深刻的变形分开。通过它们的生活史,它们产生了两个顺序神经系统,分别适合幼虫和成人阶段的功能。尽管大小和复杂性截然不同,但幼虫和成人神经系统仍然相互联系。对于中央大脑和腹CN,两个阶段的神经元都是由同一组神经元干细胞(神经细胞)产生的[NBS]。这些NBS在早期胚胎发生过程中与神经外胚层分离,构成了刻板印象的神经元前体细胞。有超过100对的NB使大脑神经元和大约30对的重复集产生节段神经节的神经元。每个NB都经历重复的不对称分裂。每个师的较小产物是神经节母细胞(GMC),通常分裂一次以产生两个女儿,“ A”和“”。在胚胎发生过程中,NB会产生一组初始的不同神经元,使其成为幼虫的中枢神经系统。NBS然后处于休眠状态,但在幼虫生长过程中重新激活,以使成人使用的一组更大的神经元集。来自每个NB的胚胎后谱系通常由两个神经元类别组成,即“ A”和“ B” Hemilineages,与GMC分裂的两个女儿相对应。 We find that the neurons in a hemilineage typically share common molecular expression, path-finding choices, initial targets, and, likely, function.

我们的研究重点是幼虫中枢神经系统的神经元

幼虫大脑每个半球有大约1,000个神经元,而成年大脑的每个半球约有20,000个神经元。在Flylight项目的支持下,我们对Rubin Gal4增强器收集的7,200行的幼体中枢神经系统表达模式进行了成像。该系列为我们提供了构成幼虫脑和腹CNS的神经元类型的详细目录,并为绝大多数幼虫神经元提供了实验访问。

在解剖方面,我们对幼虫大脑的电路结构与成年人的比较感兴趣。其他实验室对幼虫和成人嗅觉回路进行了详细比较[例如,Ramaekers等,2005当前的生物学15,982-992]指出,虽然神经元的数量和神经收敛性和差异的程度有很大不同幼虫和成人嗅觉系统包含相似的神经元类,但是幼虫在给定类别中只有几个细胞,而成年人有很多。因此,幼虫嗅觉系统具有用于嗅觉系统接线的“元素电路”,然后在成年人中变得更加精致。我们认为,这种元素电路的概念远远超出了嗅觉电路,并且简化的幼虫大脑将提供对表征大脑和腹CN的其他区域的电路图案的见解。希望这将提供一些用于形成功能性大脑的电路逻辑,并提供简单的模型,以理解成人大脑区域更复杂的接线。

长期以来,人们一直在理解中枢神经系统的神经元如何处理变态时发生的身体形式的深刻变化。大约40年前,我们证明了许多幼虫神经元通过这种变质的剧变生活,在发芽新的分支以建立成人的联系之前,经历了其轴突和树突状分支的极端修剪。在果蝇但是,仅记录了几个中心神经元的修剪和再生的程度,例如电视神经分泌细胞和蘑菇体的伽马神经元。我们想知道,不同组的中间神经元是否通过变态进行不同程度的重塑,并且从幼虫到成年人的电路连接在多大程度上保留了?使用各种翻转策略和鲁宾收集的稀疏线条,我们系统地通过变态跟随幼虫中间神经元,以便我们最终可以比较单个神经元和电路的幼虫和成人形式和功能。

除了是解剖学和发育研究的基础外,幼虫神经元数据库还提供了解剖基础,用于对各组的行为研究Marta Zlatic林恩·里迪福德(Lynn Riddiford),以及新生的幼虫奥林匹克项目。我自己的小组特别对控制幼虫喂养行为(Feng Li)和递归行为的电路感兴趣。

成人特定的谱系

果蝇,就像其他昆虫一样,神经元的身份是基于其起源谱系的。我们的主要利益之一是理解控制这种身份的规则。但是,除了是发展单位外,我们认为血统是功能和进化的单位。但是,为了测试这些后一种想法,我们需要使我们能够操纵特定的谱系和hemilineages的工具,以便我们可以检查它们所包含的神经元的功能作用。

开发基于血统的工具用于研究中枢神经系统功能

我们的基于Hemilineage的方法需要能够将基因表达靶向单个定义的Hemilineage的驱动线。考虑到这个目标,我们正在与Barret Pfeiffer合作杰拉尔德·鲁宾在Janelia构建了这样的线路库。我们的起始材料是鲁宾增强器收藏的7,200行。然而,尽管这些线中的许多线在特定的谱系或半岛上显示出表达,但很少有将它们的表达限制在单个谱系或半岛上。此外,大多数增强子的表达和驱动表达在幼虫与成年人与成人的不同神经元中的表达相当动态。与鲁宾组合作,我们正在设计截面策略,以将表达限制为幼虫中枢神经系统中的单个谱系或半肾脏。幼虫表达取决于孕酮的Ru486上的幼虫,并导致所选半肾细胞的活性重组酶。然后,重组酶从肌动蛋白>停止> lexa构建体中取出“停止”盒,从而允许Lexa在Hemilineage中的组成型表达。然后,肌动蛋白驱动的表达通过苍蝇的寿命保持,而原始增强剂变得无功能,因为RU486从食物中取出。我们的目标是生成涵盖中央大脑和腹CN的所有hemilinea的线路库。该图书馆将是研究神经元谱系和hemilinea的发展,功能和进化方面的平台。

神经元表型的产生

我们想了解确定每个神经细胞产生的神经元身份的分子代码。对于位于中央大脑和分段神经节中的〜140个独特的神经细胞,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个适当的方向可以为每个血统建立身份吗?我们关注的是为特定神经细胞,其GMC或其女儿提供分子特征的转录因子。一种方法是使用抗体来定义谱系细胞中的转录模式。我们已经鉴定出在给定谱系,核心谱系基因的所有GMC中表达的核心GMC基因,这些基因在所有子神经元中表达,以及仅在a或baughters中表达的核心半单位基因。我们正在使用损失和功能获得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SIB的身份,而这些基因的丢失导致SIB身份的重大转移。相比之下,对于核心半肾上腺基因,功能的丧失不会导致身份的明显变化,而是改变了神经元表型的选择方面。例如,突变的神经元导航到新的初始靶标,但保持了该类型神经元的其他特性。

成人神经膜的建设

我们有兴趣了解谱系神经元中的早期分子表达如何与它们构造的电路有关。但是,要开始,我们需要知道谱系和半肾上腺如何相互作用以形成成年神经胶体。我们始于使腹中枢神内中枢神经系统神经胶体的谱系开始。胸神经节中的主要神经胶质是侧腿神经胶体和背侧神经胶体。17个半he骨致力于使每个腿神经纤维制作,而另外10个半hemineages为飞行神经皮质提供了半部的贡献。腿神经胶体开始于分区的神经胶体,每个半缩纤维的结尾都占据了形成结构中的独家域。保持半肾脏之间的边界一直保持直到变态开始,当类固醇信号引起未成熟神经元的大量发芽时,分区消失了。一个重要的问题是,分区边界处的邻居与最终的突触合作伙伴有何关系。早期发展神经胶体预制的初始接触是否是成熟中枢神经系统中的主要突触伙伴?

使用我们正在开发的特定线条,我们可以在Hemilinea中驱动不同的荧光蛋白,这些荧光蛋白可能在建立腿部或飞行神经胶体中相互作用。与合作菲利普·凯勒(Philipp Keller)的小组,我们将使用培养的神经系统和实时成像技术来遵循不同Hemilinea的行为,因为它们开始“汇合”。金博宝188登录

谱系的行为功能

由于许多功能性类别的中间神经元基于Hemilineages,因此我们认为,拥有基于半曲线的驱动线库将允许系统地操纵CNS的神经元类别,并评估每个行为中的作用。作为原则的证明,我们从使胸神经膜的谱系开始,因为这些谱系可以直接与步行和飞行行为的图案和协调有关。罗宾·哈里斯(Robin Harris)进行的这项工作的初始阶段涉及苍蝇的视频和高速视频分析,其中特定的hemineages分别使用UAS-Shibirits或UAS-trpa1进行了沉默或激活。然后,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其活性。金宝搏官方

谱系的宏观和微观进化

我们关注的是hemilineages,以评估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。由于我们认为给定类中的二级神经元具有广泛重叠的功能,因此这些神经元数量的变化可能会增加或减少其所属网络中的时间和空间计算。当我们完成每个半纤维的分子标记集合时,我们可以问给定干细胞产生的神经元数量有多恒定?在幼体生长过程中,数字会随着不同的蝇群而变化或对环境因素的响应?这种变化与功能有何关系?例如,如果已选择果蝇以减少飞行能力,我们是否看到与飞行相关的半肾上腺中的中间神经元的数量相应减少,但与腿部相关的半肾上腺素没有变化?

我们也对与中枢神经系统的发展和多样化有关的更广泛的问题感兴趣。在我们表征在每个半链中制成的神经元之后果蝇Melanogaster,然后我们可以通过进化来探索这些表型类的稳定性。其他昆虫(例如飞蛾,甲虫和蜜蜂)在其他昆虫中产生的神经元是否具有与苍蝇中相同的初始投影模式和相同的发射器表型?对于显着差异的谱系,我们将对这种差异如何反映在分子表达中,尤其是核心GMC,谱系和hemilineage基因的感兴趣。如果存在分子差异(例如,飞蛾谱系的转录因子在同源蝇线中未表达,反之亦然),我们可以转到果蝇为了进行适当的分子变化并在Fly CNS中产生飞蛾型神经元?

令人着迷的是,大多数或全部某些Hemilinea的成员在出生后不久就死亡,并且没有促成成人神经系统正常的作用。我们怀疑这些神经元类别的生存并在更基础的昆虫中起作用,但在高度衍生的中枢神经系统中丢失果蝇。我们可以在其他昆虫中找到这些神经元,它们的表型和功能是什么?尽管它们通常不存在于苍蝇中,但我们可以研究它们的功能果蝇通过遗传阻止他们的死亡。然后,它们是否被合并到成人电路中,如果是这样,它们的存在如何影响其他谱系和整个中枢神经系统的发展和功能?