3月31日23時(shí)，國(guó)際頂級(jí)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(guó)際介觀圖譜領(lǐng)域率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層6357個(gè)單神經(jīng)元全腦投射圖譜，建立了國(guó)際上最大的小鼠全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)；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(jí)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄組亞型與投射亞型的對(duì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心嚴(yán)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(guó)家研究中心龔輝團(tuán)隊(duì)合作完成，不僅為深入研究高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(duì)于理解大腦的組織結(jié)構(gòu)和信息處理機(jī)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(duì)小鼠皮層神經(jīng)元的全腦投射進(jìn)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(xì)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(dòng)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(jí)的全腦光學(xué)成像大數(shù)據(jù)中，對(duì)單神經(jīng)元形態(tài)逐個(gè)進(jìn)行三維重構(gòu)。整個(gè)過(guò)程工作量大、極為復(fù)雜和耗時(shí)，是國(guó)際上公認(rèn)的難題。為解決這一問(wèn)題，嚴(yán)軍研究組的茍凌峰博士通過(guò)數(shù)年的努力攻關(guān)，自主開(kāi)發(fā)了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級(jí)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(dòng)物各腦區(qū)的神經(jīng)聯(lián)接圖譜建立了一套國(guó)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(jí)認(rèn)知---功能中扮演重要角色，其結(jié)構(gòu)和功能的異常會(huì)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(lái)研究前額葉皮層神經(jīng)元的全腦投射模式，在單個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)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(tuán)隊(duì)獲得161個(gè)小鼠的全腦成像數(shù)據(jù)，并從中成功重構(gòu)出了6357個(gè)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(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的聚類分析方法，定量刻畫(huà)比較神經(jīng)元軸突形態(tài)的相似性，獲得了64個(gè)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(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)與前額葉轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)轉(zhuǎn)錄組亞型對(duì)應(yīng)著多個(gè)投射亞型這一重要規(guī)律。

　　該論文的審稿人評(píng)價(jià)認(rèn)為，這項(xiàng)研究是一項(xiàng)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(guò)6000個(gè)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(guò)對(duì)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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