遗传学与神经生理学的完美结合开创全新领域

StefanPulver,Post-DoctoralFellow
DepartmentofZoology,UniversityofCambridge

StefanPulver博士在神经生理学和神经遗传学方面有多年的教学和研究经验。在美国BrandeisUniversity获得博士学位后，他前往英国剑桥大学(CambridgeUniversity)工作，并作为客座教师在美国康奈尔大学(CornellUniversity)任教。StefanPulver博士在各种科学杂志上发表了许多杰出的期刊论文。

起初，Stefan并不喜欢遗传学，但是现在，他全身心地投入研究生教学，这是为什么呢？

他说："IwasreallyaprettyterrIBLeundergradstudent.Inparticular,Ideeplydislikedgeneticsanddidn"tpayattentioningeneticsclasses-somethingIregretnow.Ithinkalotofstudentshaveasimilarexperience;somethingaboutthewayweteachgeneticsjustdoesn’tresonatewithalotofyoungBIOLOGists.

PartofthereasonwhyI"mdoingwhatI’mdoingnowistoreachouttopeoplewhowerelikeme.Iwanttotryandgetyoungpeople-whowouldnormallyhategenetics-interestedinthesubject."

生理学教学实验室的亮点

StefanPulver博士和他的同事NickHornstein(BrandeisUniversity),BruceLand和BruceJohnson(CornellUniversity)最近建立了一系列实验教学模块，向研究生介绍遗传学，同时教授细胞生理学和动物行为学。

他们的工作已经发表在《AdvancesinPhysiologyEducation》杂志：Optogeneticsintheteachinglaboratory:usingchannelrhodopsin-2tostudytheneuralbasisofbehaviorandsynapticphysiologyinDrosophila。文中详细介绍了一种名为“光遗传学”的新技术：在果蝇大脑的特定神经元表现Channelrhodopsin-2(ChR2)(蓝光敏感离子通道)的性状。

在自由活动的ChR2表达果蝇体内，特定神经元和突触能通过蓝光照射被激活，这个技术已被广泛应用于遗传学生物载体(如果蝇、线虫、斑马鱼和小鼠等)。但是由于这个技术成本较高，因此尚未在研究生教学领域广泛应用。

在文中，StefanPulver博士和他的合作者展示了一种廉价的方法将这种新技术引入教学实验室，从而鼓励研究生们将它运用到各自的生物学研究中去。

StefanPulver博士说：“Peoplehavethisideathatoptogeneticsisthishightechthingthatrequiresfancylasers,expensiveequipment,andbunchofpeoplewithPhDs,butit’sreallynotthatcomplicated,atleastwithfruitflies.Allyouneedaretherightflies,LEDs,somebasicelectronics,andaclassofcuriousundergrads.”

ScreencapturestakenfromJoVE"svideopublicationofHornstein,PulverandGriffith(2009)
ImagesreproducedwithexpresspermissionfromJoVE

他们的工作是过去几年研究生教学的巅峰。在过去三年中，StefanPulver博士和他的合作者在康奈尔大学神经生理学基础课(BioNB491，由BruceJohnson教授)中进行相关实验，学生们采用蓝光激活果蝇幼虫的神经系统的不同部分，然后检测行为学的变化，并记录光诱发突触电位。

全新的教学模块使教师能够采用可观测的互动方式深入介绍遗传学、细胞生理学和动物行为学之间的关系，突破了显微分子方法的局限。同时，学生们也通过实验在ChR2研究中开辟了之前的研究者未能达到的全新领域。

学生们在参与实践之后几乎全部给出了良好的反馈：

·100%的学生对神经生理学和行为学产生浓厚兴趣

· 94%的学生希望进行神经科学的前沿研究

· 超过75%的学生对遗传学的兴趣增强

BruceJohnson,SeniorTeachingAssociate
CornellUniversity

“Seeingstudentsgetexcitedinthelabwasawesome,butIhavetoadmit,seeingquantitatedstudentresponsedatathatclearlyshowedhowwelltheexercisesworkedwasequallyrewarding.”

Stefan博士的灵感来源于Hoy,RobertWyttenbach和BruceJohnson，他们在上世纪80-90年代改良了小龙虾神经肌肉接头实验，使之成为神经生理学教学的重要工具(TheCrawdadProject)。

Stefan博士和许多年轻科学家一样，通过小龙虾神经肌肉接头实验首次记录突触电位，进而对动物行为的神经基础研究(神经行为学)产生了浓厚兴趣，最终成为了他的职业。

他希望他的论文能够像他的前辈们那样使基层学生对神经行为学产生浓厚的兴趣。

NickHornstein,graduatestudent
MD/PhDProgram-ColumbiaUniversity

指引研究生取得成功

Stefan博士还通过各种方式为研究生们提供帮助。在发展“光遗传学”技术的项目中，他吸纳研究生NickHornstein成为成员之一。Nick在JournalofVisualizedExperiments(JoVE)杂志上发表的论文为教学实验室的下一步发展提供了坚实的基础。

Nick在其研究生第二年作为第一作者在JoVE杂志发表了相关论文，相关研究同时投稿《Neurophysiology》，他因此获得了2009年度的BarryM.Goldwater奖学金。Nick在BrandeisUniversity获得硕士学位后，于2011年9月前往哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)继续攻读神经生理学博士学位。

StefanPulver博士将在2011年美国神经学年会(Washington,DC)上展示他的工作，如果您对他的工作感兴趣，可以与他当面交流。您也可以前往1316号展位参观ADInstruments的最新神经生理学相关产品。

Publications:

· 2011:StefanRPulver;NicholasJHornstein;BruceLLand;BruceRJohnson

Optogeneticsintheteachinglaboratory:usingchannelrhodopsin-2tostudytheneuralbasisofbehaviorandsynapticphysiologyinDrosophila.Advancesinphysiologyeducation2011;35(1):82-91.

· 2010:NairA,BateM,PulverSR

Characterizationofvoltage-gatedioniccurrentsinaperipheralsensoryneuroninlarvalDrosophila.BMCResNotes.2010Jun2;3:154.

· 2010:Berni,J.,Muldal,A.M.,Pulver,S.R.

UsingNeurogeneticsandtheWarmth-GatedIonChannelTRPA1toStudy.TheNeuralBasisofBehaviorinDrosophilaJUndergradNeuroEd2010.9(1):A5-A14

· 2010:Jean-MarcGoaillard;AdamLTaylor;StefanRPulver;EveMarder

Slowandpersistentpostinhibitoryreboundactsasanintrinsicshort-termmemorymechanism.TheJournalofneuroscience:theofficialjournaloftheSocietyforNeuroscience2010;30(13):4687-92.

· 2010:StefanRPulver;LeslieCGriffith

SpikeintegrationandcellularmemoryinarhythmicnetworkfromNa+/K+pumpcurrentdynamics.Natureneuroscience2010;13(1):53-9.

· 2009:StefanRPulver;StanislavLPashkovski;NicholasJHornstein;PaulAGarrity;LeslieCGriffith

TemporaldynamicsofneuronalactivationbyChannelrhodopsin-2andTRPA1determinebehavioraloutputinDrosophilalarvae.Journalofneurophysiology2009;101(6):3075-88.

· 2009:NicholasJHornstein;StefanRPulver;LeslieCGriffith

Channelrhodopsin2mediatedstimulationofsynapticpotentialsatDrosophilaneuromuscularjunctions.Journalofvisualizedexperiments:JoVE2009;(25):.

· 2008:KatherineMParisky;JoseAgosto;StefanRPulver;YuhuaShang;ElenaKuklin;JamesJLHodge;KyeongjinKang;KeongjinKang;XuLiu;PaulAGarrity;etal.

PDFcellsareaGABA-responsivewake-promotingcomponentoftheDrosophilasleepcircuit.Neuron2008;60(4):672-82.

· 2008:FumikaNHamada;MarkRosenzweig;KyeongjinKang;StefanRPulver;AlfredoGhezzi;TimothyJJegla;PaulAGarrity

AninternalthermalsensorcontrollingtemperaturepreferenceinDrosophila.Nature2008;454(7201):217-20.

· 2005:StefanRPulver;DirkBucher;DavidJSimon;EveMarder

Constantamplitudeofpostsynapticresponsesforsinglepresynapticactionpotentialsbutnotburstinginputduringgrowthofanidentifiedneuromuscularjunctioninthelobster,Homarusamericanus.Journalofneurobiology2005;62(1):47-61.

· 2003:LingjunLi;WaynePKelley;CyrusPBillimoria;AndrewEChristie;StefanRPulver;JonathanVSweedler;EveMarder

Massspectrometricinvestigationoftheneuropeptidecomplementandreleaseinthepericardialorgansofthecrab,Cancerborealis.JournalofneuRochemistry2003;87(3):642-56.

· 2003:StefanRPulver;VatsalaThirumalai;KathrynSRichards;EveMarder

DopamineandhistamineinthedevelopingstomatogastricsystemofthelobsterHomarusamericanus.TheJournalofcomparativeneurology2003;462(4):400-14.

· 2003:KathrynSRichards;DavidJSimon;StefanRPulver;BarbaraSBeltz;EveMarder

SEROtonininthedevelopingstomatogastricsystemofthelobster,Homarusamericanus.Journalofneurobiology2003;54(2):380-92.

· 2002:StefanRPulver;EveMarder

Neuromodulatorycomplementofthepericardialorgansintheembryoniclobster,Homarusamericanus.TheJournalofcomparativeneurology2002;451(1):79-90.

· 2002:LingjunLi;StefanRPulver;WaynePKelley;VatsalaThirumalai;JonathanVSweedler;EveMarder

Orcokininpeptidesindevelopingandadultcrustaceanstomatogastricnervoussystemsandpericardialorgans.TheJournalofcomparativeneurology2002;444(3):227-44.