单神经元投射组揭示小鼠大脑体感上行通路的组织

神经病学 医学
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单神经元投射组揭示小鼠大脑体感上行通路的组织

学术背景

体感系统在感知机械、温度、疼痛和痒等多样感官信号中起着至关重要的作用。这些信号通过不同类型的周围传入神经传递到脊髓，经过复杂的处理和整合后，由脊髓投射神经元（Spinal Projection Neurons, SPNs）传递到大脑。SPNs是体感系统中的关键节点，但其在大脑中的投射模式和具体功能尚未完全明确。特别是，单个SPNs的投射模式以及它们如何在大脑中形成复杂的神经回路，仍然是神经科学领域的一个重大挑战。

为了更深入地理解体感系统的神经回路，研究人员需要对SPNs及其在大脑中的投射进行高分辨率的映射。此前的研究主要依赖于批量标记技术，缺乏单细胞分辨率，无法揭示单个神经元的投射多样性。因此，本研究旨在通过单神经元投射组分析，构建小鼠大脑中体感上行通路的高分辨率神经回路图，揭示SPNs和中枢中继神经元的投射模式及其功能。

论文来源

本研究由来自中国科学院上海神经科学研究所、华中科技大学、复旦大学等机构的多个研究团队合作完成，主要作者包括Wen-Qun Ding、Wei Song、Xiaoxue Shi等。论文于2025年7月9日发表在《Neuron》期刊上，题为“Single-neuron projectome reveals organization of somatosensory ascending pathways in the mouse brain”。

研究流程

1. 单神经元投射组的构建

研究首先通过逆行标记技术，稀疏标记了小鼠颈椎脊髓中的785个SPNs和1,464个中枢中继神经元。具体流程如下：

  • 病毒注射：将scretro-AAV-Cre病毒注射到小鼠的多个目标脑区（如丘脑、下丘脑、中脑等），随后在颈椎脊髓的背角注射AAV-DIO-EYFP病毒，标记SPNs。
  • 成像与重建：使用荧光微光学断层扫描技术（Fluorescence Micro-Optical Sectioning Tomography, FMOST）对大脑和脊髓进行高分辨率成像，并通过半自动追踪算法“Fast Neurite Tracer”重建神经元的完整形态。
  • 数据注册：将重建的神经元注册到Allen小鼠大脑通用坐标系（Allen Common Coordinate Framework, CCFv3）和自建的颈椎脊髓模板中。

2. SPNs的投射模式分析

研究人员分析了SPNs的投射模式，发现它们广泛投射到下丘脑、丘脑、中脑、脑桥和延髓等区域。通过聚类分析，SPNs被分为19个投射组定义的亚型，这些亚型表现出多样化的投射模式。例如，某些亚型主要投射到丘脑，而另一些亚型则投射到脑干或中脑。此外，研究还发现了一些SPNs直接投射到大脑皮层，这一现象此前未被报道。

3. 中枢中继神经元的投射模式分析

中枢中继神经元主要负责将体感信号传递到下游脑区。研究通过注射AAV2/1-CMV-Cre病毒标记了丘脑、脑桥等区域的中继神经元，并重建了它们的完整形态。结果显示，丘脑中继神经元主要投射到感觉皮层、运动皮层和高阶皮层，且不同亚型的神经元在皮层中的投射模式存在显著差异。例如，某些亚型主要投射到初级感觉皮层，而另一些亚型则投射到运动皮层或前额叶皮层。

4. 平行与发散/收敛投射模式的分析

研究发现，体感信息在大脑中的传递既存在平行通路，也存在发散和收敛的投射模式。例如，SPNs通过不同的通路将信息传递到丘脑和脑干，而丘脑中继神经元则通过多条平行通路将信息传递到不同的皮层区域。此外，研究还发现了一些新的平行通路，如脊髓-上丘-脑干通路，这些通路可能参与定向和防御行为的调控。

主要结果

  1. SPNs的投射多样性：研究发现，SPNs的投射模式具有高度多样性，单个神经元可以同时投射到多个脑区。通过聚类分析，SPNs被分为19个亚型，这些亚型在脊髓中的分布和投射模式存在显著差异。

  2. 中枢中继神经元的投射模式：中枢中继神经元的投射模式同样具有多样性，不同亚型的神经元在皮层中的投射模式存在显著差异。例如，丘脑中继神经元主要投射到感觉皮层、运动皮层和高阶皮层。

  3. 平行与发散/收敛投射模式：研究发现，体感信息在大脑中的传递既存在平行通路，也存在发散和收敛的投射模式。例如，SPNs通过不同的通路将信息传递到丘脑和脑干，而丘脑中继神经元则通过多条平行通路将信息传递到不同的皮层区域。

结论与意义

本研究通过单神经元投射组分析，首次构建了小鼠大脑中体感上行通路的高分辨率神经回路图。研究揭示了SPNs和中枢中继神经元的投射多样性，并发现了新的平行通路和投射模式。这些发现为理解体感系统的神经回路提供了重要的结构框架，并为未来研究体感信息处理的神经机制奠定了基础。

研究亮点

  1. 单神经元分辨率：本研究首次在单神经元水平上揭示了SPNs和中枢中继神经元的投射模式，填补了此前研究的空白。

  2. 新的平行通路：研究发现了新的平行通路，如脊髓-上丘-脑干通路，这些通路可能参与定向和防御行为的调控。

  3. 高分辨率神经回路图：通过高分辨率成像和重建技术，研究构建了体感上行通路的高分辨率神经回路图，为未来研究提供了重要的参考。

其他有价值的信息

本研究的全部数据和代码已公开，研究人员可以通过访问相关网站获取这些资源，进一步开展相关研究。