大腦介觀神經(jīng)聯(lián)接的圖譜與功能
高精度全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制是全面闡明神經(jīng)系統(tǒng)功能的必經(jīng)之路。全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜的繪制是生物科學(xué)最重要的前沿問題之一。大腦中神經(jīng)元形態(tài)各異，尤其是復(fù)雜多樣的神經(jīng)元軸突結(jié)構(gòu)對(duì)大腦中的信息傳輸極為重要。單個(gè)神經(jīng)元軸突在全腦范圍內(nèi)的完整形態(tài)被稱為單神經(jīng)元投射譜。基于小鼠的單神經(jīng)元投射譜研究在近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)度，而非人靈長(zhǎng)類的聯(lián)接圖譜則具有前所未有的難度。人腦中有近千億個(gè)神經(jīng)元，而要揭示大腦結(jié)構(gòu)的組織規(guī)律，需要重構(gòu)海量的單神經(jīng)元投射譜。然而，用于重構(gòu)軸突的亞微米分辨率的全腦成像數(shù)據(jù)體量巨大，比如小鼠全腦的數(shù)據(jù)高達(dá)TB量級(jí)，而獼猴腦數(shù)據(jù)甚至已經(jīng)接近PB（1000TB）量級(jí)。傳統(tǒng)神經(jīng)元重構(gòu)主要依靠手工方法完成，工作量大、極為復(fù)雜和耗時(shí)。如何在TB甚至PB量級(jí)的光學(xué)成像數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確、高效地重構(gòu)出大量單神經(jīng)元投射譜，是全腦介觀神經(jīng)聯(lián)結(jié)圖譜研究面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
獼猴和小鼠介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜
???????1.海馬單神經(jīng)元投射譜
海馬是學(xué)習(xí)記憶功能的核心腦區(qū)。徐春團(tuán)隊(duì)針對(duì)小鼠與獼猴的海馬神經(jīng)元，進(jìn)行了更大規(guī)模全腦三維重構(gòu)與投射規(guī)律分析。三維重構(gòu)了上萬(wàn)個(gè)小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦投射軸突形態(tài)。闡述了海馬神經(jīng)元前后軸的軸突投射路徑，歸納總結(jié)出43種全腦投射細(xì)胞類型。該研究將投射細(xì)胞類型與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，鑒定了與不同投射細(xì)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(kuò)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(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了海馬單細(xì)胞的空間投射規(guī)律。小鼠海馬投射譜的研究成果發(fā)表在Science期刊。
圖 海馬單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律的圖示總結(jié)
???????2.前額葉單神經(jīng)元投射譜
受益于介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜技術(shù)的進(jìn)步，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室通過(guò)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，建立了稀釋標(biāo)記單細(xì)胞和全腦三維重構(gòu)的方法，并重構(gòu)7千多小鼠前額葉神經(jīng)元。嚴(yán)軍團(tuán)隊(duì)通過(guò)重構(gòu)和分析小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元的樹突和軸突完整形態(tài)，全面刻畫了前額葉皮層投射神經(jīng)元樹突的多樣性和形態(tài)類型、揭示了神經(jīng)元樹突形態(tài)與軸突投射的關(guān)系、進(jìn)而重構(gòu)了前額葉皮層投射神經(jīng)元類型之間的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，為深入研究前額葉皮層的功能提供了重要線索，對(duì)神經(jīng)元計(jì)算建模和啟發(fā)人工智能也有重要意義。研究發(fā)表獼猴前額葉神經(jīng)元具有與小鼠前額葉神經(jīng)元相似的拓?fù)鋵W(xué)投射規(guī)律，但表現(xiàn)出更高程度的目標(biāo)特異性和更小的軸突末梢以及更加模塊化的投射模式。小鼠相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Neuroscience雜志。獼猴相關(guān)研究成果發(fā)表在Cell?雜志。
圖 小鼠前額葉單神經(jīng)元標(biāo)記與軸突形態(tài)重構(gòu)分析
圖 獼猴前額葉單神經(jīng)元標(biāo)記與重構(gòu)分析
3.中匈雙方合作解析獼猴神經(jīng)振蕩的海馬環(huán)路機(jī)制
海馬為了研究獼猴海馬介觀投射聯(lián)接，中方徐春和毛盾團(tuán)隊(duì)與匈方Viktor Vargar團(tuán)隊(duì)一起合作獼猴海馬投射譜，聚焦海馬theta振蕩活動(dòng)的環(huán)路機(jī)制，對(duì)比研究獼猴與小鼠的海馬與隔核聯(lián)接環(huán)路。目前該研究正在進(jìn)行當(dāng)中。
4.中匈雙方合作解析樹突生長(zhǎng)的軸突投射譜
匈方Zoltan Nusser團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了海馬錐體細(xì)胞存在一類特殊的細(xì)胞類型 – 軸突從樹突上生長(zhǎng)，而并非從胞體生長(zhǎng)。Nusser團(tuán)隊(duì)與徐春團(tuán)隊(duì)合作解析了這一特殊細(xì)胞類型的全腦投射譜，發(fā)現(xiàn)其特定偏好的投射下游區(qū)域，這為進(jìn)一步的記憶功能解析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究目前正在進(jìn)行中。
左，從海馬細(xì)胞樹突上生長(zhǎng)的軸突（黃色箭頭）。右，樹突生長(zhǎng)的軸突全腦投射譜（未發(fā)表數(shù)據(jù)）
5、獼猴皮層與小腦細(xì)胞類型的基因與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
李澄宇團(tuán)隊(duì)通過(guò)學(xué)科交叉合作，通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的超高精度大視場(chǎng)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)Stereo-seq和高通量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)DNBelab?C4 snRNA-seq，成功繪制了獼猴大腦皮層的細(xì)胞類型分類樹，并揭示了細(xì)胞類型組成和靈長(zhǎng)類腦區(qū)層級(jí)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究各類神經(jīng)元之間的連接奠定了分子細(xì)胞基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)以題為Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex在Cell期刊發(fā)表了研究論文。
(A)?數(shù)百種細(xì)胞類型在獼猴大腦不同位置（上）以及5張典型代表性切片（下）上的空間分布；（B）多種細(xì)胞類型呈現(xiàn)各層面的分布特異性；（C）五種細(xì)胞類型及其特征基因的空間分布和表達(dá)模式。
劉賜融和孫怡迪團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了小腦皮層內(nèi)的功能連接梯度，即“小腦內(nèi)功能梯度”，展示了不同小腦區(qū)域之間連接性的三維空間模式。通過(guò)實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)錄組的三維重建和梯度分析，發(fā)現(xiàn)在所有獼猴、狨猴和小鼠三個(gè)物種中，功能梯度和轉(zhuǎn)錄組梯度都顯示出明顯的前后差異，且獼猴和狨猴之間的空間模式相似性高于它們與小鼠之間的相似性。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將功能核磁成像數(shù)據(jù)與小腦空間轉(zhuǎn)錄組分析相結(jié)合，通過(guò)跨物種預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)與小腦內(nèi)功能連接之間的密切關(guān)系，并且確定了與功能梯度相關(guān)的基因。這些基因在不同物種中的表達(dá)模式和富集的細(xì)胞類型存在差異，進(jìn)一步體現(xiàn)了物種間的分子和功能差異。研究團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在Science期刊。
