????2024年4月22日， 《Nature Communications》期刊在線發(fā)表題為《Diverse and asymmetric patterns of single-neuron projectome in regulating interhemispheric connectivity》的研究論文。

該工作由中國科學(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）劉賜融研究組聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院韓軍偉教授、趙世杰副研究員團(tuán)隊(duì)共同合作完成。

???白質(zhì)通路是不同腦區(qū)之間形成遠(yuǎn)程連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。大量跨越兩個(gè)大腦半球的白質(zhì)通路構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是形成大腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。作為胎盤哺乳動(dòng)物中最大的白質(zhì)束，胼胝體連接了兩個(gè)半球的皮層區(qū)域，對(duì)半球間的溝通至關(guān)重要。協(xié)調(diào)兩個(gè)半球之間的神經(jīng)活動(dòng)對(duì)于正常腦功能和行為至關(guān)重要，其紊亂與多種腦功能障礙相關(guān)。因此，揭示半球間連接的組織以及它們的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系對(duì)于理解正常腦功能和各種疾病至關(guān)重要。

????之前已有廣泛的研究揭示半球間同源（Homotopic）腦區(qū)之間的連接的解剖特征和功能。然而對(duì)于大量的異源（Heterotopic）腦區(qū)間連接的結(jié)構(gòu)和功能還知之甚少。然而，由于傳統(tǒng)連接數(shù)據(jù)分辨率不足，難以描述皮層區(qū)域、分層和細(xì)胞特異性的連接模式，這限制了對(duì)異源投射的結(jié)構(gòu)和功能的了解。

????研究團(tuán)隊(duì)首先利用公開的Allen bulk示蹤數(shù)據(jù)和中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的小鼠前額葉單神元示蹤數(shù)據(jù)(Gao ，et al ，2022) ，深入探索了小鼠在群體水平和單細(xì)胞水平下特定區(qū)域、特定layer、特定細(xì)胞的跨半腦結(jié)構(gòu)連接模式。研究結(jié)果表明，與群體水平相比，單神經(jīng)元數(shù)據(jù)揭示了更復(fù)雜且密集的連接模式。具體來說，單神經(jīng)元數(shù)據(jù)確定了更多的皮層區(qū)域之間的連接。此外，相比群體水平得到的兩種雙側(cè)投射模式，單神經(jīng)元數(shù)據(jù)確定了五種雙側(cè)投射模式，從而揭示了結(jié)構(gòu)連接的復(fù)雜性。這種連接模式在不同layer中也表現(xiàn)出一致性。

???借助單神經(jīng)元尺度的分辨率，本研究定義了投射的“異質(zhì)性（Heterogeneity）”。研究者從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算了下游腦區(qū)是一對(duì)同源腦區(qū)，以及下游腦區(qū)是多個(gè)非同源腦區(qū)這兩種情況異質(zhì)性水平，發(fā)現(xiàn)對(duì)不同同源腦區(qū)的投射表現(xiàn)出非常不同的異質(zhì)性，而到對(duì)側(cè)半腦的投射表現(xiàn)出比同側(cè)半腦投射更強(qiáng)的異質(zhì)性。為了理解這一結(jié)構(gòu)性質(zhì)如何影響大腦活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征，本研究進(jìn)一步進(jìn)行了多腦區(qū)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果表明到一對(duì)同源腦區(qū)的投射的異質(zhì)性是決定這對(duì)同源腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)同步性的主要因素，其效果遠(yuǎn)強(qiáng)于同源腦區(qū)之間的直接相互投射對(duì)神經(jīng)活動(dòng)同步的影響。另一方面，模擬結(jié)果顯示對(duì)多個(gè)非同源腦區(qū)投射的異質(zhì)性更強(qiáng)會(huì)使得腦區(qū)之間同步的強(qiáng)度下降，而可變性（Variability）也下降，從而預(yù)測了同側(cè)半球腦區(qū)之間的同步會(huì)有更高的強(qiáng)度以及更高的可變性。

????最后，研究者采集了小鼠背側(cè)皮層的寬場鈣成像（wide-field calcium imaging）數(shù)據(jù)，對(duì)腦區(qū)之間神經(jīng)活動(dòng)同步的分析結(jié)果很好地吻合了模型預(yù)測，即半球間的異源投射表現(xiàn)出功能連接強(qiáng)度較低但條件穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，從而驗(yàn)證了異質(zhì)性這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)屬性對(duì)于神經(jīng)活動(dòng)存在重要影響。

????西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院博士研究生費(fèi)瑤和中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心博士研究生吳啟航共同為該論文的第一作者，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心劉賜融研究員和西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院韓軍偉教授、趙世杰副研究員為該論文的共同通訊作者。該研究獲得科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院、上海市和臨港實(shí)驗(yàn)室的資助。