中国脑计划成果登上《科学》： 多团队联手，解析出小鼠海马体单神经元全脑投射规律
想要帮助视障人士恢复视觉，植入一个脑机接口、读出脑电信息就足够了吗？显然没那么简单。“看到”之后产生空间感知、存储记忆，都与大脑海马体中的信息投射有关。
为了对这个与学习、记忆、情绪、认知等脑功能息息相关的复杂脑区有全景式了解，在中国脑计划的项目支持下，由华中科技大学苏州脑空间信息研究院/海南大学骆清铭院士、龚辉教授团队与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐春研究组、孙衍刚研究组、姚海珊研究组、李澄宇研究组和孙怡迪研究组等发挥各自优势，面向科学前沿开展有组织的合作研究而共同完成。团队解析了海马神经元的空间联接规律，并建立了小鼠海马脑区单神经元的全脑介观投射联接图谱的数据库。2024年2月2日，国际著名学术期刊《Science》（科学）在线发表了题为“Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes”（小鼠海马单神经元全脑投射图谱）的研究论文。
众所周知，神经元是通过其广泛的轴突侧支投射向邻近或远处脑区的其他神经元传输信息。在单细胞水平理解轴突投射的空间组织模式对于阐明各种脑功能背后的神经环路机理至关重要。海马是研究最广泛的脑结构之一，在学习、记忆、认知、应激反应和情绪行为等诸多脑功能中起着至关重要的作用。研究已知，海马背侧和腹侧与脑皮层和皮层下区域有着明显的连通性，并具有不同的生理功能，这与海马亚区神经元的基因表达模式沿背腹侧轴不同的认知一致；并且海马神经元的连通性和功能沿近端-远端轴和从浅层到深层也是高度异质性的。因此，海马神经元胞体的位置可能与其多样化的全脑连通性直接相关，但尚不清楚其确切的关系。此外，海马内和海马外轴突投射的靶向模式和组织规律也仍然未知，这些主要是由于缺乏单细胞水平轴突投射侧枝的信息。
针对这一科学前沿问题，攻关研究团队通过将荧光显微光学切片断层成像技术（fMOST）与稀疏标记神经元方法相结合，以亚微米体素分辨率同时连续采集小鼠全脑的完整精细神经元形态和细胞构筑的胞体定位信息，共获取了242个小鼠全脑的三维图像数据集，重建了10,100个海马神经元完整形态，海马神经元的胞体覆盖了海马的各个亚区。
△海马单神经元全脑投射规律的总结图
该研究创建了目前世界上最大的单神经元全脑投射图谱数据集，根据碘化丙啶染色得到的细胞构筑结果，将所有神经元注释到Allen小鼠脑共同坐标框架，确定了神经元胞体处于海马亚区的位置。通过形态学参数分析研究了轴突投射的模式，发现沿吻侧和尾侧通路的海马轴突投射分支在不同的亚区中表现出不重叠的分布特点；根据单个海马神经元轴突形态将其投射模式更精细的分类为43种特定亚型。研究揭示了投射组亚型依赖的胞体沿纵轴分布与海马由具有不同基因表达模式的亚域组成一致，投射靶区的数量和轴突终端分布取决于海马纵轴和横轴上的胞体所在位置。
该研究将投射细胞类型与空间转录组数据进行联合分析，鉴定了与不同投射细胞类型空间分布相关的基因，揭示了全新的海马神经元投射模式以及海马体内外靶区的协调投射规律，阐明了双侧大脑投射的新规律，扩展了领域内的层状理论，全面展示了胞体与轴突末梢的空间映射关系，解析了海马神经元胞体位置与投射模式的对应关系，发现了海马单细胞的空间投射规律。这些新发现在单细胞分辨率为海马神经元的全脑连接模式提供了前所未有的信息，阐明的单神经元投射组的组织原理为理解海马神经元的功能提供了详实的结构基础，绘制的单神经元投射图谱为海马输出环路功能研究提出了海马神经元投射模式的新方向，对于理解全脑连通性和海马体的多种功能具有重要的理论指导意义。
华中科技大学苏州脑空间信息研究院是科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目“全脑介观神经联接图谱绘制技术平台”的牵头单位，骆清铭院士和龚辉教授科研团队面向测绘全脑介观神经联接图谱重大需求，独辟蹊径创立了全脑三维连续高分辨成像的MOST/fMOST技术体系，在显微光学成像、生物标记和组织制备、大数据计算和分析等方面拥有全链条的自主知识产权。以荧光显微光学切片断层成像（fMOST）系列成套技术为主，建成了全球规模最大、国际领先的亚微米分辨率全脑三维图谱测绘的标准化、规模化科研设施，装备有50套MOST/fMOST成像系统和50PB数据存储能力的计算平台，已是国际公认的三维精准测绘完整器官形貌和结构图谱的利器，能多尺度全景式可视化脑空间内所有细胞和血管的精细形态及其准确的解剖定位信息。该科研团队和技术平台在本项研究的高质量全脑介观神经元形态和胞体定位获取技术和数据产出方面，发挥了重要作用。
