【人民日報】中國科學(xué)家率先重構(gòu)小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜
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】
3月31日23時,國際頂級神經(jīng)科學(xué)期刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》(《Nature Neuroscience》)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》的論文。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。
該研究由中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、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,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。

部分科研團隊成員
據(jù)介紹,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。
據(jù)了解,該研究團隊獲得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)。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。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)。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。
該論文的審稿人評價認為,這項研究是一項工程和技術(shù)上的奇跡,為神經(jīng)科學(xué)界提供了不可估量的寶貴資源。它重構(gòu)了小鼠前額葉皮層中超過6000個單神經(jīng)元分辨率的軸突數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)不僅揭示了前額葉神經(jīng)元令人驚嘆的多樣性,而且通過對它們的分析,為神經(jīng)環(huán)路潛在的組織原則提供了基礎(chǔ)。
(圖片和視頻由中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心提供)
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