中國學者構建高精度乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜 | 前沿

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? 50個基底前腦乙醯膽鹼能神經元的完整形態，圖片來自PNAS

撰文 | 李向寧、俞彬

責編 | 葉水送

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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乙醯膽鹼能神經元是腦內一群重要的調製類神經元，主要分布在基底前腦和腦幹等多個腦區，通過其廣泛分布的軸突纖維投射釋放乙醯膽鹼，調控皮層和皮層下核團的神經活動，參與運動、睡眠以及情感與記憶等重要功能。

膽鹼能神經元的異常與老年痴呆、睡眠及認知障礙等多種神經系統疾病有關，相關機制的研究已成為目前醫學與神經科學領域的熱點。

2017年12月18日，《美國科學院院報》（PNAS）在線發表了題為「乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜和基底前腦膽鹼能神經元介觀投射組」的研究成果。該研究由華中科技大學駱清銘團隊，與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心團隊中科院神經科學研究所仇子龍、華中科技大學龔輝合作完成。

? 精準成像fMOST技術示意圖，圖片來自nature

該研究基於駱清銘團隊自主研發的全自動顯微成像方法——精準成像fMOST技術，在單神經元水平解析了膽鹼能神經元在全腦定位分布和基底前腦內的精細形態結構。

膽鹼能神經元的數目、分布及形態結構信息是研究這類神經元功能的關鍵因素。已有研究顯示，其數目和神經退行性疾病有關。以往的研究通常獲得的是二維組織切片的圖像，只能大致獲取神經元的分布和估算神經元的數目；受限於成像方法和標記技術，更加難以獲取神經元的完整形態結構信息，因此一直沒有精確的膽鹼能神經元三維全腦分布圖譜的報道。此外，膽鹼能神經元可能通過其廣泛的長程軸突投射調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環路，但由於缺乏真實直接的完整形態數據，這些模型均無法準確描述膽鹼能神經元和其它腦區/神經元的連接關係。

? 乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜（A）切片成像示意圖。（B）全腦三維分布。（C）乙醯膽鹼能神經元主要分布的21個腦區內定量計數。（D）50個基底前腦乙醯膽鹼能神經元的完整形態。（E）基於神經元投射連接對膽鹼能神經元的分類結果。（F）相鄰膽鹼能神經元具有不同的投射模式。

研究人員利用fMOST成像系統結合特異性標記熒光蛋白的小鼠模型及病毒標記技術，獲取了世界上第一套完整的膽鹼能神經元三維全腦分布圖譜。

該圖譜包含了小鼠膽鹼能神經元在21個腦區內的分布數目、胞體大小及胞體密度等多種信息，為相關功能研究提供了解剖學參考。在此基礎上，該研究還重建了小鼠基底前腦50個膽鹼能神經元的完整形態，聯合遺傳標記、連接組和形態學參數進行了神經元分類，並通過分析這些神經元的投射腦區，提出了單個膽鹼能神經元與下游腦區的新連接模型，即單個神經元的軸突分支傾向於共投射到具有相互連接關係的下游腦區，且相鄰的神經元有可能調控完全不同的下游環路。

龔輝教授闡述了能全腦定位的精準成像系統在繪製膽鹼能神經元分布圖譜上的優勢：

「前些年，我們首先發展出全腦三維亞微米解析度成像的顯微光學成像技術（對於非熒游標記樣本的MOST和對熒游標記樣本的 fMOST），我們建立的成像技術不僅可以看到神經元的胞體，還可以看到向神經元輸入信息的樹突和輸出信息的軸突。當然只看到漂亮的神經元的形態結構還不夠，我們還要知道每一個神經元到底是在腦內的什麼位置，這好比於要知道每一座房子所在地球上的三維坐標是什麼，去年我們在《自然-通訊》期刊發表的文章，建立了精準成像技術：同時獲得神經元的精細結構和準確位置的精準成像。正是利用這種成像技術以及我們的大數據處理與分析技術，成為完成這項成果的重要技術保障。」

仇子龍研究員表示，該研究「全面揭示了小鼠膽鹼能神經元的全腦分布以及基底前腦膽鹼能神經元的形態學分類，以前沒有大規模全腦重建技術，我們無法知道千姿百態的神經元究竟有哪些類別，現在通過一個一個神經元的重建，知道它可根據投射的模式分成這麼多的類別。在小鼠腦里，我們看到一個神經元就能夠橫跨全腦，可以想像在靈長類動物的大腦里，神經元形態將更為複雜。單個神經元對大腦的作用也是我們以前無法想像的。」

至於未來這方面還有哪些工作需要完成? 仇子龍研究員表示：

「我們希望該技術能在非人靈長類大腦圖譜的構建中進一步揭示靈長類大腦不同神經元類別的形態，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於小鼠大腦，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系列技術將會在非人靈長類大腦圖譜的構建中發揮重要的作用。」

龔輝教授則表示，「我們正在用精準成像系統與國內外多個課題組開展合作，研究內容涉及多種神經環路的發現與可視化、基於完整形態和遺傳標記對神經元的分類等。」

這項研究工作的共同第一作者分別為華中科技大學的李向寧博士與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

( 浙江大學求是高等研究院 / 浙大醫學院教授 )

大腦中神經元的形態千姿百態，但是在全腦尺度上對神經元成像的技術出現之前，我們對神經元的形態其實還只是「盲人摸象」。華中科大駱清銘教授團隊從2010年底發表MOST技術以來，在全腦尺度成像上的研究水平就站在了世界的前列。經過七年的不斷精益求精，終於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鹼能神經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鹼能神經元的全腦圖譜，以及建立出學界非常感興趣的基底前腦膽鹼能神經元的投射模型分析，這些工作必將對膽鹼能神經元異常導致的疾病，如老年痴呆症等的研究，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.

製版編輯：常春藤｜

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