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中国学者构建高精度乙酰胆碱能神经元全脑图谱

 
撰文 | 李向宁 俞    彬
责编 | 叶水送
 
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乙酰胆碱能神经元是脑内一群重要的调制类神经元,主要分布在基底前脑和脑干等多个脑区,通过其广泛分布的轴突纤维投射释放乙酰胆碱,调控皮层和皮层下核团的神经活动,参与运动、睡眠以及情感与记忆等重要功能。
 
胆碱能神经元的异常与老年痴呆、睡眠及认知障碍等多种神经系统疾病有关,相关机制的研究已成为目前医学与神经科学领域的热点。
 
2017年12月18日,《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了题为“乙酰胆碱能神经元全脑图谱和基底前脑胆碱能神经元介观投射组”的研究成果。该研究由华中科技大学骆清铭团队,与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心团队中科院神经科学研究所仇子龙、华中科技大学龚辉合作完成。
 
 
该研究基于骆清铭团队自主研发的全自动显微成像方法——精准成像fMOST技术,在单神经元水平解析了胆碱能神经元在全脑定位分布和基底前脑内的精细形态结构。
 
胆碱能神经元的数目、分布及形态结构信息是研究这类神经元功能的关键因素。已有研究显示,其数目和神经退行性疾病有关。以往的研究通常获得的是二维组织切片的图像,只能大致获取神经元的分布和估算神经元的数目;受限于成像方法和标记技术,更加难以获取神经元的完整形态结构信息,因此一直没有精确的胆碱能神经元三维全脑分布图谱的报道。此外,胆碱能神经元可能通过其广泛的长程轴突投射调控皮层和皮层下核团,虽然研究者提出了一些连接模型和假说来描述这类神经环路,但由于缺乏真实直接的完整形态数据,这些模型均无法准确描述胆碱能神经元和其它脑区/神经元的连接关系。
 
► 乙酰胆碱能神经元全脑图谱 (A)切片成像示意图。(B)全脑三维分布。(C)乙酰胆碱能神经元主要分布的21个脑区内定量计数。(D)50个基底前脑乙酰胆碱能神经元的完整形态。(E)基于神经元投射连接对胆碱能神经元的分类结果。(F)相邻胆碱能神经元具有不同的投射模式。
 
研究人员利用fMOST成像系统结合特异性标记荧光蛋白的小鼠模型及病毒标记技术,获取了世界上第一套完整的胆碱能神经元三维全脑分布图谱。
 
该图谱包含了小鼠胆碱能神经元在21个脑区内的分布数目、胞体大小及胞体密度等多种信息,为相关功能研究提供了解剖学参考。在此基础上,该研究还重建了小鼠基底前脑50个胆碱能神经元的完整形态,联合遗传标记、连接组和形态学参数进行了神经元分类,并通过分析这些神经元的投射脑区,提出了单个胆碱能神经元与下游脑区的新连接模型,即单个神经元的轴突分支倾向于共投射到具有相互连接关系的下游脑区,且相邻的神经元有可能调控完全不同的下游环路。
 
龚辉教授阐述了能全脑定位的精准成像系统在绘制胆碱能神经元分布图谱上的优势:
 
“前些年,我们首先发展出全脑三维亚微米分辨率成像的显微光学成像技术(对于非荧光标记样本的MOST和对荧光标记样本的 fMOST),我们建立的成像技术不仅可以看到神经元的胞体,还可以看到向神经元输入信息的树突和输出信息的轴突。当然只看到漂亮的神经元的形态结构还不够,我们还要知道每一个神经元到底是在脑内的什么位置,这好比于要知道每一座房子所在地球上的三维坐标是什么,去年我们在《自然-通讯》期刊发表的文章,建立了精准成像技术:同时获得神经元的精细结构和准确位置的精准成像。正是利用这种成像技术以及我们的大数据处理与分析技术,成为完成这项成果的重要技术保障。”
 
仇子龙研究员表示,该研究 “全面揭示了小鼠胆碱能神经元的全脑分布以及基底前脑胆碱能神经元的形态学分类,以前没有大规模全脑重建技术,我们无法知道千姿百态的神经元究竟有哪些类别,现在通过一个一个神经元的重建,知道它可根据投射的模式分成这么多的类别。在小鼠脑里,我们看到一个神经元就能够横跨全脑,可以想象在灵长类动物的大脑里,神经元形态将更为复杂。单个神经元对大脑的作用也是我们以前无法想象的。” 
 
至于未来这方面还有哪些工作需要完成? 仇子龙研究员表示:
 
“我们希望该技术能在非人灵长类大脑图谱的构建中进一步揭示灵长类大脑不同神经元类别的形态,以及告诉我们灵长类大脑究竟有哪些图谱级别的工作。美国脑计划基本上是基于小鼠大脑,非人灵长类的工作还没有,所以我们希望能解决灵长类大脑的问题。华中科大的fMOST系列技术将会在非人灵长类大脑图谱的构建中发挥重要的作用。”
 
龚辉教授则表示,“我们正在用精准成像系统与国内外多个课题组开展合作,研究内容涉及多种神经环路的发现与可视化、基于完整形态和遗传标记对神经元的分类等。”
 
这项研究工作的共同第一作者分别为华中科技大学的李向宁博士与仇子龙组的博士研究生俞彬。该研究亦得到了美国艾伦脑研究所曾红葵教授的帮助。
 
同行点评
 
胡海岚( 浙江大学求是高等研究院 / 浙大医学院教授 )
 
大脑中神经元的形态千姿百态,但是在全脑尺度上对神经元成像的技术出现之前,我们对神经元的形态其实还只是“盲人摸象”。华中科大骆清铭教授团队从2010年底发表MOST技术以来,在全脑尺度成像上的研究水平就站在了世界的前列。经过七年的不断精益求精,终于又有精彩的工作问世。从这篇工作中我们可以看到令人叹为观止的胆碱能神经元如何在小鼠的大脑中纵横捭阖。龚辉教授与仇子龙研究员的工作为我们提供了目前精度最高的哺乳类大脑中胆碱能神经元的全脑图谱,以及建立出学界非常感兴趣的基底前脑胆碱能神经元的投射模型分析,这些工作必将对胆碱能神经元异常导致的疾病,如老年痴呆症等的研究,有重要的意义。
 
参考文献
Li XN et al. Generation of a whole-brain atlas for the cholinergic system and mesoscopic projectome analysis of basal forebrain cholinergic neurons. PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1703601115.
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