發(fā)布時(shí)間：2022-03-31
2022年3月31日23:00，《Nature Neuroscience》期刊以封面文章的形式在線(xiàn)發(fā)表了題為《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心嚴軍研究組、徐寧龍研究組與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、武漢光電國家研究中心龔輝團隊合作完成。該研究在國際介觀(guān)圖譜領(lǐng)域率先重構了小鼠前額葉皮層6357個(gè)單神經(jīng)元全腦投射圖譜，建立了國際上最大的小鼠全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜數據庫；首次發(fā)現小鼠前額葉皮層中存在64類(lèi)神經(jīng)元投射亞型，揭示了其空間分布規律，闡明了前額葉內部模塊化的連接網(wǎng)絡(luò )和等級結構、神經(jīng)元轉錄組亞型與投射亞型的對應關(guān)系，從而揭示了前額葉皮層內部連接和外部投射的規律，并提出了前額葉皮層可能的工作模型。該研究不僅為深入研究高級認知功能的神經(jīng)機制奠定了結構基礎，也為研究全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜提供了重要的技術(shù)支撐。
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大腦皮層不同腦區之間的信息交流依賴(lài)于神經(jīng)元的長(cháng)程投射，擁有不同投射模式的神經(jīng)元往往參與不同的腦功能。因此，研究神經(jīng)元的投射模式及其基本規律對于理解大腦的組織結構和信息處理機制具有重要的意義。以往，研究人員利用群體神經(jīng)元示蹤技術(shù)，對小鼠皮層神經(jīng)元的全腦投射進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現皮層投射神經(jīng)元可以分為端腦內側束神經(jīng)元、錐體束神經(jīng)元和皮層丘腦神經(jīng)元。然而，近年研究表明，在這些傳統的神經(jīng)元類(lèi)型中還存在著(zhù)更復雜、功能分工更精細的神經(jīng)元亞型。系統地繪制大腦單神經(jīng)元水平的投射圖譜，有助于發(fā)現新的神經(jīng)元亞型和腦網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)接規則，從而更系統全面地揭示大腦的工作原理。
繪制小鼠等哺乳動(dòng)物大腦中單神經(jīng)元水平的全腦投射圖譜，需要在太字節（TB）量級的全腦光學(xué)成像大數據中，對單神經(jīng)元形態(tài)逐個(gè)進(jìn)行三維重構。整個(gè)過(guò)程工作量大、極為復雜和耗時(shí)，是國際上公認的難題。為解決這一問(wèn)題，嚴軍研究組的茍凌峰博士通過(guò)數年的努力攻關(guān)，自主開(kāi)發(fā)了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級光學(xué)成像大數據神經(jīng)元追蹤及分析軟件，為研究模式動(dòng)物各腦區的神經(jīng)聯(lián)接圖譜建立了一套國際領(lǐng)先的研究方法和流程。
前額葉皮層在決策、工作記憶、注意力等高級認知功能中扮演重要角色，其結構和功能的異常會(huì )導致多種腦疾病。前額葉神經(jīng)元投射范圍很廣，幾乎覆蓋大部分腦區，包括皮層、紋狀體、丘腦、中腦和后腦等。已有的研究大多利用群體神經(jīng)元示蹤技術(shù)來(lái)研究前額葉皮層神經(jīng)元的全腦投射模式，在單個(gè)神經(jīng)元水平上，前額葉神經(jīng)元軸突投射的規律還不清楚。盡管目前的研究表明小鼠皮層不同腦區之間存在模塊和等級結構，但是對于前額葉內部連接網(wǎng)絡(luò )的性質(zhì)還有待研究。
通過(guò)與華中科技大學(xué)龔輝團隊、腦智卓越中心全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺等多個(gè)團隊合作，該研究獲得161個(gè)小鼠的全腦成像數據，并從中成功重構出了6357個(gè)前額葉單神經(jīng)元軸突形態(tài)（圖A）。在獲得前額葉單神經(jīng)元投射圖譜后，研究團隊利用自主開(kāi)發(fā)的聚類(lèi)分析方法，定量刻畫(huà)比較神經(jīng)元軸突形態(tài)的相似性，獲得了64個(gè)投射亞型，并繪制出這些神經(jīng)元亞型在前額葉亞區的分布和皮層深淺層的分布（圖B）。此外，研究團隊通過(guò)建立高空間分辨率的前額葉內部連接網(wǎng)絡(luò )，發(fā)現前額葉內部連接網(wǎng)絡(luò )具有模塊化的性質(zhì)和等級結構（圖C）。通過(guò)與前額葉轉錄組數據進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，并利用逆向示蹤和單分子熒光原位雜交技術(shù)后，發(fā)現單個(gè)轉錄組亞型對應著(zhù)多個(gè)投射亞型這一重要規律（圖D）。
圖注（A）6357個(gè)前額葉單神經(jīng)元在前額葉亞區的分布和全腦軸突形態(tài)。（B）神經(jīng)元形態(tài)學(xué)分類(lèi)。64個(gè)前額葉投射神經(jīng)元亞型在前額葉亞區和皮層深淺的分布。（C）前額葉內部連接網(wǎng)絡(luò )的模塊化和等級結構。（D）前額葉投射亞型與基因亞型的關(guān)系（CT皮層丘腦神經(jīng)元在PL-ORB腦區）。
該研究開(kāi)發(fā)了在腦圖譜大數據中高效重構神經(jīng)元的軟件FNT，成功構建了小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜，發(fā)現了前額葉存在64個(gè)神經(jīng)元投射亞型和前額葉內部連接存在模塊和等級結構，為理解前額葉的工作機制提供了線(xiàn)索。其中，單個(gè)轉錄組亞型對應多個(gè)投射亞型這一規律，進(jìn)一步突顯出了單神經(jīng)元投射圖譜對于神經(jīng)元分類(lèi)的重要性。
小鼠前額葉195個(gè)神經(jīng)元的全腦投射
該研究由博士研究生高樂(lè )、劉桑、胡亞闖、博士后茍凌峰在嚴軍研究員與徐寧龍研究員的指導下完成，并得到了中科院腦智卓越中心姚海珊、徐春、李澄宇、孫衍剛研究員及其研究組和小鼠腦圖譜平臺團隊的幫助。FNT的研發(fā)過(guò)程得到了上海濟光職業(yè)技術(shù)學(xué)院咸菁、喬彥青團隊和眾多學(xué)生志愿者的幫助。華中科技大學(xué)龔輝團隊承擔了全腦成像數據的采集。腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士給予了寶貴建議。該研究獲得上海市、科技部、中科院、基金委的資助。
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