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《自然神经科学》发表中科院脑科学与智能技术卓越创新中心神经元长程输入环路图谱的研究成果
发布日期:2019-07-11    浏览次数:24

2019年7月8日,《自然神经科学》(Nature Neuroscience)期刊发表了题为《A whole-brain map of long-range inputs to GABAergic interneurons in the mouse medial prefrontal cortex》的研究论文,该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、华中科技大学武汉光电国家研究中心龚辉和李安安教授、华中科技大学武汉光电国家研究中心骆清铭教授团队和北京生命科学研究所罗敏敏研究员团队合作完成。该研究详细描绘了小鼠内侧前额叶皮层γ-氨基丁酸(GABA)能神经元长程输入环路的全脑图谱。

大脑皮层是由不同类型神经细胞相互连接组成的高度复杂神经网络,其解剖结构是信息在脑中传递的基础。为理解大脑内神经信息的处理机制,在整个皮层甚至全脑范围要对神经环路的结构及生理信息进行解析,首先需要了解不同类型的神经细胞在脑内是如何分布的,以及相互之间是如何连接,包括神经细胞在大脑内的准确定位、精细的形态结构、以及在环路中的连接关系等。

内侧前额叶皮层在学习、决策和情绪等高级功能中起着重要作用,其结构和功能的异常会导致抑郁、精神分裂、癫痫等精神疾病。作为中枢神经系统中重要的抑制类神经元,GABA能神经元是神经系统兴奋抑制平衡的重要调控因素,其功能紊乱与一系列神经精神疾病密切相关。根据神经标志物可将GABA能神经元分为多个亚型,主要包括表达小清蛋白的PV阳性神经元,表达生长激素抑制素的SST阳性神经元和表达血管活性肠肽的VIP阳性神经元。已有研究表明,这些亚型的神经元具有不同的功能,但其环路是如何组成尚不清楚,如长程输入环路在哪儿?长什么样?再如,是否特定环路内的神经元能够投射到一个还是多个目标区域,不同亚型神经元的上游输入神经元的起源是否一致?

研究团队利用自主研发的荧光显微光学切片断层成像技术(fluorescent micro-optical sectioning tomography, fMOST),结合神经示踪术,详尽解析了小鼠脑内侧前额叶的两个亚区内三种亚型GABA能神经元的上游长程输入环路。研究发现,三种GABA能神经元接受相同脑区的输入,但不同脑区输入的比例不同。用免疫组化方法证实了内侧前额叶皮层的输入是有多种神经递质的调控,包括基底前脑的PV阳性长程投射神经元、胆碱能神经元和来自中缝核的五羟色胺神经元。结合电生理记录,进一步发现输入到内侧前额叶GABA能神经元的基底前脑胆碱能神经元和中缝核的五羟色胺神经元均可共释放谷氨酸。

借助于高分辨率成像获得的全脑数据集,研究人员重建出了119个输入神经元的三维形态结构。图像显示,基底前脑的输入神经元可同时调控内侧前额叶及丘脑核团,而后者也可投射到内侧前额叶,形成基底前脑-前额叶皮层-丘脑的神经环路;并发现存在内侧前额叶-纹状体-前侧丘脑-内侧前额叶的新环路。该研究为理解基底前脑和丘脑如何调控皮层和皮层下的神经活动提供了新的模型。进而,通过重建皮层和海马输入神经元的精细形态,发现投射到内侧前额叶皮层的新型神经元不同亚型的GABA能神经元表现出了不同的输入模式,这些不同的平行环路可能执行不同的功能。这些研究将为神经元分类和内侧前额叶皮层的功能提供新的参考。

图1 使用fMOST技术结合RV病毒逆行示踪法,解析内侧前额叶不同GABA能神经元的输入神经元的全脑分布、上游输入神经元新类型和新环路。A. 研究流程示意图。B. 内侧前额叶两个亚区内的三种GABA能神经元长程输入神经元,在小鼠全脑内的三维分布图。C. 三维重建的皮层输入神经元和形态模式分类结果。D. 三维重建的海马输入神经元。E. 内侧前额叶与无名核以及前侧丘脑构成的新环路模式图。

综上所述,研究者们利用自主研发的荧光显微光学切片断层成像技术,结合逆行跨一级病毒示踪方法,建立了迄今最详尽的小鼠内侧前额叶特定类型神经元的全脑长程输入图谱。该图谱不仅包括内侧前额叶特定类型神经元的上游输入神经元的分布(在哪儿),还包括了这些输入神经元的递质类型和形态特征(长什么样)、以及共投射脑区信息等(和谁联系)等。该图谱为研究和模拟内侧前额叶所在环路的功能奠定了单细胞分辨的解剖学基础;基于靶向脑区及共投射脑区的分类方法,也为环路的组织模式和神经元分类研究开拓了新的思路。

本研究由博士生孙庆涛和李向宁副教授为共同第一作者,华中科技大学任淼、赵梦婷、钟秋园、罗盘、倪鸿、张小宇、张晨、袁菁,中科院脑智卓越创新中心李安安和龚辉等共同参与了本项研究,北京生命科学研究所罗敏敏研究员和博士生任育齐协助完成了电生理实验。本研究得到了国家自然科学基金创新群体(61721092)、国家自然科学基金(91632302,91749209,31871088)资助和武汉光电国家研究中心主任基金的资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41593-019-0429-9