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作者及机构
本研究由清华大学IDG/麦戈文脑科学研究所、生命科学学院膜生物学国家重点实验室的Zhen Long、Yongzhen Yu、Chenyi He等团队完成，通讯作者为Zengcai V. Guo和Da Mi。研究成果于2026年1月22日发表于《Cell》期刊（Volume 189, Issue 1–20），标题为《Intravital observation of neuronal and immune cell dynamics in the developing mammalian brain》。
科学领域与背景
研究聚焦于发育中哺乳动物大脑的细胞动态行为，属于神经发育生物学与免疫学的交叉领域。大脑发育过程中，神经元迁移（neuronal migration）和免疫细胞（如小胶质细胞，microglia）的监视行为对皮层环路形成至关重要。然而，传统体外（ex vivo）研究方法（如脑切片培养）因破坏血液循环和微环境稳态，难以真实反映生理条件下的细胞互作。现有活体成像技术（intravital imaging）也存在胚胎固定不稳定、视野受限或操作复杂等问题。
研究目标
团队旨在开发一种新型活体成像方法（IMEE），实现小鼠胚胎大脑的长时程、高分辨率观测，并揭示神经元迁移模式、神经-血管-免疫互作（neuro-vascular-immune interactions）以及小胶质细胞在生理与应激状态下的动态行为。
1. IMEE技术开发
- 设备设计：团队发明了“外固定胚胎活体成像”（Intravital Imaging of Externally-Immobilized Embryos, IMEE）系统，核心组件包括环形固定架（donut-shaped chuck）、温控水循环模块和气体麻醉装置。
- 关键改进：
- 稳定固定：通过聚氨酯薄膜（PU film）和琼脂糖包埋维持胚胎在羊水中的自然发育状态，避免传统方法排空羊水导致的子宫环境破坏。
- 多角度成像：支持侧视（lateral view）和顶视（top view），兼容胚胎发育窗口期（E10.5–E16.5）。
- 深度与广度：双光子显微镜可穿透约900 μm的皮层组织，并支持多视野拼接（large-field stitching）。
2. 实验流程
- 模型构建：
- 转基因小鼠：使用Nkx2.1-CreER、Emx1-CreER等品系标记特定神经元（如MGE来源的中间神经元）或小胶质细胞（CX3CR1-GFP）。
- 药物模型：通过丙戊酸（VPA）诱导自闭症谱系障碍（ASD）模型，研究中间神经元迁移缺陷。
- 活体标记：
- 子宫内眶后注射（IU-ROI）：注射番茄凝集素（tomato lectin）标记血管，2小时内清晰显示脑膜血管丛（PNVP）和脑实质血管丛（INVP）。
- 子宫内电转（IUE）：通过电穿孔标记兴奋性神经元，验证IMEE兼容性。
- 动态观测：
- 神经元迁移：以5–20分钟间隔采集图像，结合拓扑矢量场分析（TVF）量化迁移轨迹。
- 细胞互作：记录中间神经元与血管/小胶质细胞的接触模式（如终末接触terminal contact, TC；过程接触process contact, PC）。
- 应激响应：通过子宫内损伤（IULs）模拟环境应激，观察小胶质细胞招募与激活。
3. 数据分析
- 运动轨迹建模：通过光流法（optical flow）和Helmholtz-Hodge分解（HHD）解析细胞运动的旋度场（curl-free）与散度场（divergence-free）。
- 分子机制验证：基于单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据筛选Eph-ephrin和Plexin-Semaphorin信号通路成员，通过拮抗肽（如KYL肽）阻断EphA4验证接触排斥机制。
1. 神经元迁移模式
- 兴奋性神经元：在皮层板（CP）内表现为“体细胞转位”（somal translocation，速度45±9 μm/h）和“ locomotion”（26±6 μm/h），迁移速度无发育阶段差异。
- 中间神经元：
- 边缘区（MZ）：呈现“随机游走”（random walk），运动方向分布扁平（platykurtic），螺旋群集运动（divergence-free）占比高。
- 脑室下区（SVZ）：运动方向集中（leptokurtic），以直线群集运动（harmonic）为主。
- ASD模型：VPA暴露导致中间神经元迁移速度和导向分支运动显著降低。
2. 神经-血管-免疫互作
- 血管接触调控：中间神经元通过三种模式避免血管：
- TC1：接触后分支回缩，选择其他分支转向（迁移减速65%）。
- TC2：接触后分支分叉，生成新导向分支（减速60%）。
- PC：沿血管表面单向滑动（减速30%）。
- 小胶质细胞接触：TC导致神经元分支回缩，而PC无显著方向偏差。阻断EphA4后，神经元丧失排斥性转向能力。
3. 小胶质细胞动态
- 静息态：
- 实质小胶质细胞（PCMs）：伪足延伸/回缩运动（curl-free）为主。
- 血管关联小胶质细胞（CAMs）：伪足摆动（divergence-free）为主。
- 应激激活：损伤后，小胶质细胞以2.3±0.7 μm/min速度向病灶迁移，到达后伪足缩短并吞噬纤维连接蛋白（FN1），提示修复功能。
科学意义
- 方法学突破：IMEE首次实现胚胎大脑的长时程活体成像，解决了传统技术破坏微环境的问题。
- 理论贡献：揭示了神经元通过接触排斥（contact repulsion）适应局部环境的普适策略，以及小胶质细胞在发育中的动态监视功能。
- 应用潜力：为神经发育疾病（如ASD）的机制研究和药物筛选提供新工具。
亮点
1. IMEE技术：稳定、多角度、操作简便，支持8小时连续成像。
2. 迁移模式解析：首次在活体中量化MZ与SVZ中间神经元的异质性群集运动。
3. 互作机制：发现EphA4介导的神经-血管排斥是神经元路径选择的关键。
4. 应激响应：阐明胚胎小胶质细胞通过快速招募和吞噬参与组织修复。
其他发现
- 脑损伤后，单核细胞（CSF1R+）通过血管快速募集，脑脊液中CD206+边界相关巨噬细胞（BAMs）在第四脑室聚集，提示神经-免疫系统协同响应。
（报告总字数：约1800字）