發(fā)布時(shí)間：2024-02-04
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????2024年2月2日，《科學(xué)》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes》的研究論文。該研究解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規律，并建立了小鼠海馬腦區單神經(jīng)元的全腦介觀(guān)投射聯(lián)接圖譜的數據庫。該研究成果由中國科學(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）領(lǐng)銜，與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、海南大學(xué)、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、臨港實(shí)驗室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心等多家單位的科研團隊合作完成。?
海馬腦區與記憶功能緊密關(guān)聯(lián)的科學(xué)證據最早來(lái)自于廣為人知的Henry Molaison（1926-2008）病例研究。為了治療癲癇，病人被切除了海馬和周邊的部分顳葉組織。病人在術(shù)后表現為短期記憶嚴重受損，而長(cháng)期記憶卻不受影響。由此，海馬與學(xué)習記憶相關(guān)功能的研究拉開(kāi)了序幕，之后海馬神經(jīng)元突觸可塑性的研究進(jìn)一步奠定了海馬腦區在學(xué)習記憶功能當中的核心地位。時(shí)至今日，科學(xué)家對海馬功能的探索已長(cháng)達近一個(gè)世紀，可謂經(jīng)久不衰。在上世紀七十年代，John O'Kefee等首先在大鼠的海馬區內發(fā)現了位置細胞（place cell），并獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎，從此也揭示了海馬在空間信息表征和導航中的重要作用?，F如今，海馬仍然是大腦內研究最為廣泛的腦區之一。隨著(zhù)科學(xué)研究的不斷深入，海馬腦區還被發(fā)現參與了多種不同大腦功能，比如恐懼記憶、場(chǎng)景認知、記憶泛化、情緒焦慮和社交記憶等。海馬神經(jīng)元在全腦范圍內的廣泛投射是這些大腦功能的重要基礎。然而，以往的研究絕大部分都停留在群體神經(jīng)元標記的水平，海馬單神經(jīng)元的多樣化全腦投射模式并不清楚。因此，研究單個(gè)海馬神經(jīng)元的全腦投射模式具有重要的科學(xué)意義；鑒定海馬單神經(jīng)元投射模式的細胞類(lèi)型，解析海馬腦區內的胞體位置與基因表達和環(huán)路功能之間的潛在關(guān)系，是理解海馬神經(jīng)元的實(shí)現多種大腦功能的重要基礎。?
徐春研究員領(lǐng)銜的研究團隊充分發(fā)揮了團隊攻關(guān)的組織優(yōu)勢，三維重構了上萬(wàn)個(gè)小鼠海馬區單神經(jīng)元的全腦投射軸突形態(tài)。這些海馬神經(jīng)元的胞體覆蓋了海馬的各個(gè)亞區和海馬多維軸向的不同位置，是目前世界上最大的單神經(jīng)元全腦投射圖譜數據集。通過(guò)海馬單細胞投射圖譜的數據庫構建與分析，研究團隊開(kāi)創(chuàng )性地將軸突投射路徑與機器識別算法相結合，闡述了海馬神經(jīng)元前后軸的軸突投射路徑，為研究海馬投射下游腦區之間的關(guān)系提供了新的視角，同時(shí)更加有效快捷地分析了小鼠海馬神經(jīng)元的341種主要投射模式的形態(tài)相似性，最終歸納總結出43種全腦投射細胞類(lèi)型。?
該研究將投射細胞類(lèi)型與空間轉錄組數據進(jìn)行聯(lián)合分析，鑒定了與不同投射細胞類(lèi)型空間分布相關(guān)的基因，揭示了全新的海馬神經(jīng)元投射模式以及海馬體內外靶區的協(xié)調投射規律，闡明了雙側大腦投射的新規律，擴展了領(lǐng)域內的層狀理論，全面展示了胞體與軸突末梢的空間映射關(guān)系，解析了海馬神經(jīng)元胞體位置與投射模式的對應關(guān)系，發(fā)現了海馬單細胞的空間投射規律。?
這些研究成果為研究海馬神經(jīng)元相關(guān)的功能和疾病提供了環(huán)路和分子基因的靶點(diǎn)，為左右腦半球的信息交流和相互調節提供了新的證據，為研究海馬神經(jīng)元各種腦功能提供了詳實(shí)的投射信息參考，為海馬輸出環(huán)路功能研究提出了海馬神經(jīng)元投射模式的新方向，為海馬參與學(xué)習記憶、空間認知、導航、焦慮、應激等多種功能提供新的神經(jīng)環(huán)路理論指導。?
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圖示，海馬單神經(jīng)元全腦投射規律的圖示總結。陳世碩繪制。?
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該研究構建的小鼠海馬區單神經(jīng)元的全腦介觀(guān)投射圖譜數據庫已經(jīng)通過(guò)腦科學(xué)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站公開(kāi)共享（https://mouse.digital-brain.cn/hipp）。中國科學(xué)院腦科學(xué)數據與計算中心開(kāi)發(fā)了集可視化、交互和分析為一體的工具，并提供數據下載服務(wù)。?
該研究的數據分析工作由中國科學(xué)院腦智卓越中心博士研究生邱收領(lǐng)銜，并與胡亞闖、黃奕銘和高淘沙等共同合作完成。中國科學(xué)院腦智卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）研究員徐春、孫衍剛、孫怡迪、姚海珊、李澄宇和華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院龔輝教授為該論文共同通訊作者。?
該研究得到了中國科學(xué)院腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士、海南大學(xué)駱清銘院士、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所徐林研究員、中國科學(xué)院腦智卓越中心徐寧龍研究員、嚴軍研究員，中國科學(xué)院腦智卓越中心全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺，腦科學(xué)數據與計算中心的大力支持。?
該研究受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技部科技創(chuàng )新2030-重大項目“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”、上海市級重大專(zhuān)項“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計劃”、中國科學(xué)院、基金委、上海市、臨港實(shí)驗室重大任務(wù)等項目的支持。?
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