中科院腦智卓越中心發布小鼠前額葉單神經元投射圖譜的研究成果

發布時間:2022-03-31

  202233123:00,《Nature Neuroscience》期刊以封面文章的形式在線發表了題為《小鼠前額葉單神經元投射圖譜》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學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域率先重構了小鼠前額葉皮層6357個單神經元全腦投射圖譜,建立了國際上最大的小鼠全腦介觀神經聯接圖譜數據庫;首次發現小鼠前額葉皮層中存在64類神經元投射亞型,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絡和等級結構、神經元轉錄組亞型與投射亞型的對應關系,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機制奠定了結構基礎,也為研究全腦介觀神經聯接圖譜提供了重要的技術支撐。 

  小鼠圖譜共享網站: https://mouse.braindatacenter.cn/

  大腦皮層不同腦區之間的信息交流依賴于神經元的長程投射,擁有不同投射模式的神經元往往參與不同的腦功能。因此,研究神經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元示蹤技術,對小鼠皮層神經元的全腦投射進行了廣泛研究,發現皮層投射神經元可以分為端腦內側束神經元、錐體束神經元和皮層丘腦神經元。然而,近年研究表明,在這些傳統的神經元類型中還存在著更復雜、功能分工更精細的神經元亞型。系統地繪制大腦單神經元水平的投射圖譜,有助于發現新的神經元亞型和腦網絡的聯接規則,從而更系統全面地揭示大腦的工作原理。 

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  繪制小鼠等哺乳動物大腦中單神經元水平的全腦投射圖譜,需要在太字節(TB)量級的全腦光學成像大數據中,對單神經元形態逐個進行三維重構。整個過程工作量大、極為復雜和耗時,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年的努力攻關,自主開發了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級光學成像大數據神經元追蹤及分析軟件,為研究模式動物各腦區的神經聯接圖譜建立了一套國際領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導致多種腦疾病。前額葉神經元投射范圍很廣,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元示蹤技術來研究前額葉皮層神經元的全腦投射模式,在單個神經元水平上,前額葉神經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絡的性質還有待研究。 

  通過與華中科技大學龔輝團隊、腦智卓越中心全腦介觀神經聯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據,并從中成功重構出了6357個前額葉單神經元軸突形態(圖A)。在獲得前額葉單神經元投射圖譜后,研究團隊利用自主開發的聚類分析方法,定量刻畫比較神經元軸突形態的相似性,獲得了64個投射亞型,并繪制出這些神經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,研究團隊通過建立高空間分辨率的前額葉內部連接網絡,發現前額葉內部連接網絡具有模塊化的性質和等級結構(圖C)。通過與前額葉轉錄組數據進行關聯分析,并利用逆向示蹤和單分子熒光原位雜交技術后,發現單個轉錄組亞型對應著多個投射亞型這一重要規律(圖D)。 

   

  圖注(A6357個前額葉單神經元在前額葉亞區的分布和全腦軸突形態。(B)神經元形態學分類。64個前額葉投射神經元亞型在前額葉亞區和皮層深淺的分布。(C)前額葉內部連接網絡的模塊化和等級結構。(D)前額葉投射亞型與基因亞型的關系(CT皮層丘腦神經元在PL-ORB腦區)。 

  該研究開發了在腦圖譜大數據中高效重構神經元的軟件FNT,成功構建了小鼠前額葉單神經元投射圖譜,發現了前額葉存在64個神經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索。其中,單個轉錄組亞型對應多個投射亞型這一規律,進一步突顯出了單神經元投射圖譜對于神經元分類的重要性。 

  小鼠前額葉195個神經元的全腦投射 

  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的研發過程得到了上海濟光職業技術學院咸菁、喬彥青團隊和眾多學生志愿者的幫助。華中科技大學龔輝團隊承擔了全腦成像數據的采集。腦智卓越中心學術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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