【今日頭條】中科院腦智卓越中心發(fā)布小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜的研究成果
文章來源：腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2022-04-02 | 【打印】 【關(guān)閉】
2022年3月31日23:00，《Nature Neuroscience》期刊以封面文章的形式在線發(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)國家重點實驗室、上海腦科學(xué)與類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。該研究在國際介觀圖譜領(lǐng)域率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層6357個單神經(jīng)元全腦投射圖譜，建立了國際上最大的小鼠全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫；首次發(fā)現(xiàn)小鼠前額葉皮層中存在64類神經(jīng)元投射亞型，揭示了其空間分布規(guī)律，闡明了前額葉內(nèi)部模塊化的連接網(wǎng)絡(luò)和等級結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄組亞型與投射亞型的對應(yīng)關(guān)系，從而揭示了前額葉皮層內(nèi)部連接和外部投射的規(guī)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為研究全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜提供了重要的技術(shù)支撐。
大腦皮層不同腦區(qū)之間的信息交流依賴于神經(jīng)元的長程投射，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(guī)律對于理解大腦的組織結(jié)構(gòu)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)元的全腦投射進行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)皮層投射神經(jīng)元可以分為端腦內(nèi)側(cè)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(tǒng)的神經(jīng)元類型中還存在著更復(fù)雜、功能分工更精細的神經(jīng)元亞型。系統(tǒng)地繪制大腦單神經(jīng)元水平的投射圖譜，有助于發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)元亞型和腦網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接規(guī)則，從而更系統(tǒng)全面地揭示大腦的工作原理。
繪制小鼠等哺乳動物大腦中單神經(jīng)元水平的全腦投射圖譜，需要在太字節(jié)（TB）量級的全腦光學(xué)成像大數(shù)據(jù)中，對單神經(jīng)元形態(tài)逐個進行三維重構(gòu)。整個過程工作量大、極為復(fù)雜和耗時，是國際上公認的難題。為解決這一問題，嚴軍研究組的茍凌峰博士通過數(shù)年的努力攻關(guān)，自主開發(fā)了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級光學(xué)成像大數(shù)據(jù)神經(jīng)元追蹤及分析軟件，為研究模式動物各腦區(qū)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(jié)構(gòu)和功能的異常會導(dǎo)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(qū)，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)來研究前額葉皮層神經(jīng)元的全腦投射模式，在單個神經(jīng)元水平上，前額葉神經(jīng)元軸突投射的規(guī)律還不清楚。盡管目前的研究表明小鼠皮層不同腦區(qū)之間存在模塊和等級結(jié)構(gòu)，但是對于前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)還有待研究。
通過與華中科技大學(xué)龔輝團隊、腦智卓越中心全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺等多個團隊合作，該研究獲得161個小鼠的全腦成像數(shù)據(jù)，并從中成功重構(gòu)出了6357個前額葉單神經(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發(fā)的聚類分析方法，定量刻畫比較神經(jīng)元軸突形態(tài)的相似性，獲得了64個投射亞型，并繪制出這些神經(jīng)元亞型在前額葉亞區(qū)的分布和皮層深淺層的分布（圖B）。此外，研究團隊通過建立高空間分辨率的前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)具有模塊化的性質(zhì)和等級結(jié)構(gòu)（圖C）。通過與前額葉轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行關(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(xiàn)單個轉(zhuǎn)錄組亞型對應(yīng)著多個投射亞型這一重要規(guī)律（圖D）。
該研究開發(fā)了在腦圖譜大數(shù)據(jù)中高效重構(gòu)神經(jīng)元的軟件FNT，成功構(gòu)建了小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜，發(fā)現(xiàn)了前額葉存在64個神經(jīng)元投射亞型和前額葉內(nèi)部連接存在模塊和等級結(jié)構(gòu)，為理解前額葉的工作機制提供了線索。其中，單個轉(zhuǎn)錄組亞型對應(yīng)多個投射亞型這一規(guī)律，進一步突顯出了單神經(jīng)元投射圖譜對于神經(jīng)元分類的重要性。
該研究由博士研究生高樂、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(dǎo)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(dān)了全腦成像數(shù)據(jù)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。
圖注（A）6357個前額葉單神經(jīng)元在前額葉亞區(qū)的分布和全腦軸突形態(tài)。（B）神經(jīng)元形態(tài)學(xué)分類。64個前額葉投射神經(jīng)元亞型在前額葉亞區(qū)和皮層深淺的分布。（C）前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)的模塊化和等級結(jié)構(gòu)。（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(qū)）。
