科學家解析小鼠海馬單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律
| 來源: 腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心 【字號:大 中 小】
2月2日,中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、海南大學、中國科學院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心等,在《科學》(Science)上在線發(fā)表了題為Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes的研究論文。該研究解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律,并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫。
海馬腦區(qū)與記憶功能緊密關聯(lián)的科學證據(jù)最早來自于Henry Molaison的病例研究。為了治療癲癇,病人被切除了海馬和周邊的部分顳葉組織。病人在術后表現(xiàn)為短期記憶嚴重受損,而長期記憶卻不受影響。由此,海馬與學習記憶相關功能的研究拉開了序幕,之后海馬神經(jīng)元突觸可塑性的研究進一步奠定了海馬腦區(qū)在學習記憶功能當中的核心地位。時至今日,科學家對海馬功能的研究已長達近一個世紀。20世紀70年代,John O'Kefee等在大鼠的海馬區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了位置細胞,并揭示了海馬在空間信息表征和導航中的重要作用。現(xiàn)今,海馬仍是大腦內(nèi)研究最廣泛的腦區(qū)之一。隨著科學研究的深入,海馬腦區(qū)被發(fā)現(xiàn)參與多種不同大腦功能,如恐懼記憶、場景認知、記憶泛化、情緒焦慮和社交記憶等。海馬神經(jīng)元在全腦范圍內(nèi)的廣泛投射是這些大腦功能的重要基礎。以往多數(shù)研究停留在群體神經(jīng)元標記的水平,而海馬單神經(jīng)元的多樣化全腦投射模式并不清楚。因此,研究單個海馬神經(jīng)元的全腦投射模式具有重要的科學意義;鑒定海馬單神經(jīng)元投射模式的細胞類型,解析海馬腦區(qū)內(nèi)的胞體位置與基因表達和環(huán)路功能之間的潛在關系,是探討海馬神經(jīng)元的實現(xiàn)多種大腦功能的重要基礎。?
腦智卓越中心研究員徐春領銜的研究團隊,發(fā)揮團隊攻關的組織優(yōu)勢,三維重構了上萬個小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦投射軸突形態(tài)。這些海馬神經(jīng)元的胞體覆蓋了海馬的各個亞區(qū)和海馬多維軸向的不同位置,是目前世界上最大的單神經(jīng)元全腦投射圖譜數(shù)據(jù)集。通過海馬單細胞投射圖譜的數(shù)據(jù)庫構建與分析,該團隊開創(chuàng)性地將軸突投射路徑與機器識別算法相結合,闡述了海馬神經(jīng)元前后軸的軸突投射路徑,為研究海馬投射下游腦區(qū)之間的關系提供了新視角,更加有效快捷地分析了小鼠海馬神經(jīng)元的341種主要投射模式的形態(tài)相似性,歸納總結出43種全腦投射細胞類型。?
該研究將投射細胞類型與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析,鑒定了與不同投射細胞類型空間分布相關的基因,揭示了全新的海馬神經(jīng)元投射模式以及海馬體內(nèi)外靶區(qū)的協(xié)調(diào)投射規(guī)律,闡明了雙側(cè)大腦投射的新規(guī)律,擴展了領域內(nèi)的層狀理論,展示了胞體與軸突末梢的空間映射關系,解析了海馬神經(jīng)元胞體位置與投射模式的對應關系,發(fā)現(xiàn)了海馬單細胞的空間投射規(guī)律。?
上述成果為研究海馬神經(jīng)元相關的功能和疾病提供了環(huán)路和分子基因的靶點,為左右腦半球的信息交流和相互調(diào)節(jié)提供了新證據(jù),為研究海馬神經(jīng)元各種腦功能提供了詳實的投射信息參考,為海馬輸出環(huán)路功能研究提出了海馬神經(jīng)元投射模式的新方向,為海馬參與學習記憶、空間認知、導航、焦慮、應激等多種功能提供新的神經(jīng)環(huán)路理論指導。?
該研究構建的小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射圖譜數(shù)據(jù)庫已通過腦科學門戶網(wǎng)站公開共享(https://mouse.digital-brain.cn/hipp)。中國科學院腦科學數(shù)據(jù)與計算中心開發(fā)了集可視化、交互和分析為一體的工具,并提供數(shù)據(jù)下載服務。?
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030-重大項目“腦科學與類腦研究”、上海市級重大專項“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計劃”,以及中國科學院、國家自然科學基金委員會、上海市、臨港實驗室等的支持。