發(fā)布時間：2024-02-04
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????2024年2月2日，《科學(xué)》期刊在線發(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。該研究成果由中國科學(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）領(lǐng)銜，與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、海南大學(xué)、中國科學(xué)院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等多家單位的科研團隊合作完成。?
海馬腦區(qū)與記憶功能緊密關(guān)聯(lián)的科學(xué)證據(jù)最早來自于廣為人知的Henry Molaison（1926-2008）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(shù)后表現(xiàn)為短期記憶嚴(yán)重受損，而長期記憶卻不受影響。由此，海馬與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)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(xué)習(xí)記憶功能當(dāng)中的核心地位。時至今日，科學(xué)家對海馬功能的探索已長達近一個世紀(jì)，可謂經(jīng)久不衰。在上世紀(jì)七十年代，John O'Kefee等首先在大鼠的海馬區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了位置細胞（place cell），并獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，從此也揭示了海馬在空間信息表征和導(dǎo)航中的重要作用。現(xiàn)如今，海馬仍然是大腦內(nèi)研究最為廣泛的腦區(qū)之一。隨著科學(xué)研究的不斷深入，海馬腦區(qū)還被發(fā)現(xiàn)參與了多種不同大腦功能，比如恐懼記憶、場景認(rèn)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(chǔ)。然而，以往的研究絕大部分都停留在群體神經(jīng)元標(biāo)記的水平，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(xué)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(guān)系，是理解海馬神經(jīng)元的實現(xiàn)多種大腦功能的重要基礎(chǔ)。?
徐春研究員領(lǐng)銜的研究團隊充分發(fā)揮了團隊攻關(guān)的組織優(yōu)勢，三維重構(gòu)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(gòu)建與分析，研究團隊開創(chuàng)性地將軸突投射路徑與機器識別算法相結(jié)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(guān)系提供了新的視角，同時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，最終歸納總結(jié)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(guān)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(lǐng)域內(nèi)的層狀理論，全面展示了胞體與軸突末梢的空間映射關(guān)系，解析了海馬神經(jīng)元胞體位置與投射模式的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了海馬單細胞的空間投射規(guī)律。?
這些研究成果為研究海馬神經(jīng)元相關(guān)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)提供了新的證據(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(xué)習(xí)記憶、空間認(rèn)知、導(dǎo)航、焦慮、應(yīng)激等多種功能提供新的神經(jīng)環(huán)路理論指導(dǎo)。?
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圖示，海馬單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律的圖示總結(jié)。陳世碩繪制。?
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該研究構(gòu)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)庫已經(jīng)通過腦科學(xué)門戶網(wǎng)站公開共享（https://mouse.digital-brain.cn/hipp）。中國科學(xué)院腦科學(xué)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(wù)。?
該研究的數(shù)據(jù)分析工作由中國科學(xué)院腦智卓越中心博士研究生邱收領(lǐng)銜，并與胡亞闖、黃奕銘和高淘沙等共同合作完成。中國科學(xué)院腦智卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）研究員徐春、孫衍剛、孫怡迪、姚海珊、李澄宇和華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院龔輝教授為該論文共同通訊作者。?
該研究得到了中國科學(xué)院腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士、海南大學(xué)駱清銘院士、中國科學(xué)院昆明動物研究所徐林研究員、中國科學(xué)院腦智卓越中心徐寧龍研究員、嚴(yán)軍研究員，中國科學(xué)院腦智卓越中心全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺，腦科學(xué)數(shù)據(jù)與計算中心的大力支持。?
該研究受到了科技部重點研發(fā)計劃、科技部科技創(chuàng)新2030-重大項目“腦科學(xué)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”、中國科學(xué)院、基金委、上海市、臨港實驗室重大任務(wù)等項目的支持。?
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