中國學(xué)者構(gòu)建高精度乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜 | 前沿
? 50個基底前腦乙酰膽堿能神經(jīng)元的完整形態(tài)，圖片來自PNAS
撰文 | 李向?qū)?、? 彬
責(zé)編 | 葉水送
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乙酰膽堿能神經(jīng)元是腦內(nèi)一群重要的調(diào)制類神經(jīng)元，主要分布在基底前腦和腦干等多個腦區(qū)，通過其廣泛分布的軸突纖維投射釋放乙酰膽堿，調(diào)控皮層和皮層下核團的神經(jīng)活動，參與運動、睡眠以及情感與記憶等重要功能。
膽堿能神經(jīng)元的異常與老年癡呆、睡眠及認(rèn)知障礙等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，相關(guān)機制的研究已成為目前醫(yī)學(xué)與神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的熱點。
2017年12月18日，《美國科學(xué)院院報》（PNAS）在線發(fā)表了題為“乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜和基底前腦膽堿能神經(jīng)元介觀投射組”的研究成果。該研究由華中科技大學(xué)駱清銘團隊，與中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心團隊中科院神經(jīng)科學(xué)研究所仇子龍、華中科技大學(xué)龔輝合作完成。
? 精準(zhǔn)成像fMOST技術(shù)示意圖，圖片來自nature
該研究基于駱清銘團隊自主研發(fā)的全自動顯微成像方法——精準(zhǔn)成像fMOST技術(shù)，在單神經(jīng)元水平解析了膽堿能神經(jīng)元在全腦定位分布和基底前腦內(nèi)的精細(xì)形態(tài)結(jié)構(gòu)。
膽堿能神經(jīng)元的數(shù)目、分布及形態(tài)結(jié)構(gòu)信息是研究這類神經(jīng)元功能的關(guān)鍵因素。已有研究顯示，其數(shù)目和神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。以往的研究通常獲得的是二維組織切片的圖像，只能大致獲取神經(jīng)元的分布和估算神經(jīng)元的數(shù)目；受限于成像方法和標(biāo)記技術(shù)，更加難以獲取神經(jīng)元的完整形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，因此一直沒有精確的膽堿能神經(jīng)元三維全腦分布圖譜的報道。此外，膽堿能神經(jīng)元可能通過其廣泛的長程軸突投射調(diào)控皮層和皮層下核團，雖然研究者提出了一些連接模型和假說來描述這類神經(jīng)環(huán)路，但由于缺乏真實直接的完整形態(tài)數(shù)據(jù)，這些模型均無法準(zhǔn)確描述膽堿能神經(jīng)元和其它腦區(qū)/神經(jīng)元的連接關(guān)系。
? 乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜 （A）切片成像示意圖。（B）全腦三維分布。（C）乙酰膽堿能神經(jīng)元主要分布的21個腦區(qū)內(nèi)定量計數(shù)。（D）50個基底前腦乙酰膽堿能神經(jīng)元的完整形態(tài)。（E）基于神經(jīng)元投射連接對膽堿能神經(jīng)元的分類結(jié)果。（F）相鄰膽堿能神經(jīng)元具有不同的投射模式。
研究人員利用fMOST成像系統(tǒng)結(jié)合特異性標(biāo)記熒光蛋白的小鼠模型及病毒標(biāo)記技術(shù)，獲取了世界上第一套完整的膽堿能神經(jīng)元三維全腦分布圖譜。
該圖譜包含了小鼠膽堿能神經(jīng)元在21個腦區(qū)內(nèi)的分布數(shù)目、胞體大小及胞體密度等多種信息，為相關(guān)功能研究提供了解剖學(xué)參考。在此基礎(chǔ)上，該研究還重建了小鼠基底前腦50個膽堿能神經(jīng)元的完整形態(tài)，聯(lián)合遺傳標(biāo)記、連接組和形態(tài)學(xué)參數(shù)進行了神經(jīng)元分類，并通過分析這些神經(jīng)元的投射腦區(qū)，提出了單個膽堿能神經(jīng)元與下游腦區(qū)的新連接模型，即單個神經(jīng)元的軸突分支傾向于共投射到具有相互連接關(guān)系的下游腦區(qū)，且相鄰的神經(jīng)元有可能調(diào)控完全不同的下游環(huán)路。
龔輝教授闡述了能全腦定位的精準(zhǔn)成像系統(tǒng)在繪制膽堿能神經(jīng)元分布圖譜上的優(yōu)勢：
“前些年，我們首先發(fā)展出全腦三維亞微米分辨率成像的顯微光學(xué)成像技術(shù)（對于非熒光標(biāo)記樣本的MOST和對熒光標(biāo)記樣本的 fMOST），我們建立的成像技術(shù)不僅可以看到神經(jīng)元的胞體，還可以看到向神經(jīng)元輸入信息的樹突和輸出信息的軸突。當(dāng)然只看到漂亮的神經(jīng)元的形態(tài)結(jié)構(gòu)還不夠，我們還要知道每一個神經(jīng)元到底是在腦內(nèi)的什么位置，這好比于要知道每一座房子所在地球上的三維坐標(biāo)是什么，去年我們在《自然-通訊》期刊發(fā)表的文章，建立了精準(zhǔn)成像技術(shù)：同時獲得神經(jīng)元的精細(xì)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確位置的精準(zhǔn)成像。正是利用這種成像技術(shù)以及我們的大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，成為完成這項成果的重要技術(shù)保障?！?/span>
仇子龍研究員表示，該研究 “全面揭示了小鼠膽堿能神經(jīng)元的全腦分布以及基底前腦膽堿能神經(jīng)元的形態(tài)學(xué)分類，以前沒有大規(guī)模全腦重建技術(shù)，我們無法知道千姿百態(tài)的神經(jīng)元究竟有哪些類別，現(xiàn)在通過一個一個神經(jīng)元的重建，知道它可根據(jù)投射的模式分成這么多的類別。在小鼠腦里，我們看到一個神經(jīng)元就能夠橫跨全腦，可以想象在靈長類動物的大腦里，神經(jīng)元形態(tài)將更為復(fù)雜。單個神經(jīng)元對大腦的作用也是我們以前無法想象的?！?nbsp;
至于未來這方面還有哪些工作需要完成? 仇子龍研究員表示：
“我們希望該技術(shù)能在非人靈長類大腦圖譜的構(gòu)建中進一步揭示靈長類大腦不同神經(jīng)元類別的形態(tài)，以及告訴我們靈長類大腦究竟有哪些圖譜級別的工作。美國腦計劃基本上是基于小鼠大腦，非人靈長類的工作還沒有，所以我們希望能解決靈長類大腦的問題。華中科大的fMOST系列技術(shù)將會在非人靈長類大腦圖譜的構(gòu)建中發(fā)揮重要的作用。”
龔輝教授則表示，“我們正在用精準(zhǔn)成像系統(tǒng)與國內(nèi)外多個課題組開展合作，研究內(nèi)容涉及多種神經(jīng)環(huán)路的發(fā)現(xiàn)與可視化、基于完整形態(tài)和遺傳標(biāo)記對神經(jīng)元的分類等?！?/span>
這項研究工作的共同第一作者分別為華中科技大學(xué)的李向?qū)幉┦颗c仇子龍組的博士研究生俞彬。該研究亦得到了美國艾倫腦研究所曾紅葵教授的幫助。
同行點評
胡海嵐
( 浙江大學(xué)求是高等研究院 / 浙大醫(yī)學(xué)院教授 )
大腦中神經(jīng)元的形態(tài)千姿百態(tài)，但是在全腦尺度上對神經(jīng)元成像的技術(shù)出現(xiàn)之前，我們對神經(jīng)元的形態(tài)其實還只是“盲人摸象”。華中科大駱清銘教授團隊從2010年底發(fā)表MOST技術(shù)以來，在全腦尺度成像上的研究水平就站在了世界的前列。經(jīng)過七年的不斷精益求精，終于又有精彩的工作問世。從這篇工作中我們可以看到令人嘆為觀止的膽堿能神經(jīng)元如何在小鼠的大腦中縱橫捭闔。龔輝教授與仇子龍研究員的工作為我們提供了目前精度最高的哺乳類大腦中膽堿能神經(jīng)元的全腦圖譜，以及建立出學(xué)界非常感興趣的基底前腦膽堿能神經(jīng)元的投射模型分析，這些工作必將對膽堿能神經(jīng)元異常導(dǎo)致的疾病，如老年癡呆癥等的研究，有重要的意義。
參考文獻
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.
制版編輯： 常春藤｜
