小鼠大脑中全脑连接组与神经动活动的联系

2024-06-02 Sun
背景介绍大脑由不同亚型的神经元组成，这些神经元通过局部和长程突触连接形成复杂的神经网络。理解这些神经元网络的功能需要了解其连接模式（projectome）和神经动态（neuronal dynamics）。尽管在介观连接组学和细胞分辨率功能成像技术的发展使得揭示不同脑区神经元的结构组织或功能成为可能，但获得同一神经元的神经活动和全脑连接组仍然是一个挑战，特别是对于皮质下脑区的神经元。
来源介绍本文由Xiang Li、Yun Du、Jiang-Feng Huang等多个研究团队的成员共同撰写，分别来自Huazhong University of Science and Technology，Chinese Academy of Sciences等机构，论文于2024年1月发表于《Neuroscience Bulletin》。
研究目的及方法研究目的本研究的主要目的是将全脑连接组与神经动态联系起来，解决以往研究中难以同时获得同一神经元活动和全脑投射模式的问题。研究聚焦于小鼠的大脑，包括体感皮层、背海马和黑质致密部等多个皮层和皮层下脑区。
研究方法研究中采用了多种技术，包括体内显微镜成像和高分辨率荧光显微光学切片断层扫描技术（fMOST），以绘制体感皮层、背海马和黑质致密部中功能相关神经元的全脑投射模式。研究还开发了辨别分子定义的神经元亚型的策略，解决了将全脑连接组与神经动态链接的问题。
详细步骤动物实验准备：使用6-13周龄的雄性C57BL/6J和DAT-Cre小鼠进行实验，注射病毒后等待6-7周以实现病毒表达。
病毒和手术操作：使用多种AAV病毒进行感染，包括AAV2/8-CamKII-Cre和AAV2/9-hEF1a-DIO-eYFP-WPRE-PA等。通过标准立体定位系统进行脑部注射。
体感皮层（S1BF）的实验：在体感皮层L2/3层注入病毒，然后进行标记和成像。通过气流刺激和移动墙壁对小鼠触觉进行刺激，记录神经元的钙离子动态。
背海马（dCA1）的实验：在dCA1区域注入混合病毒，通过植入GRIN镜片进行在体成像，记录对脚底电击的神经响应。
黑质致密部（SNC）的实验：在SNC区域进行病毒注射和GRIN镜片植入，进行特定分子标记的多巴胺神经元动态记录。
主要结果结果概述体感皮层（S1BF）：
通过两光子成像和fMOST，研究小组分析了61个S1BF L2/3层神经元对触觉刺激的反应，8.2%的神经元对刺激有反应。
使用fMOST对这些神经元进行了全脑成像，并成功注册了43个神经元，其投射模式显示了不同神经元在全脑中的投射差异。
背海马（dCA1）：
对30个dCA1神经元进行了记录，发现这些神经元对脚底电击的反应模式不同，部分受到激活（excited），部分被抑制（inhibited），还有一些是无响应的（non-responsive）。
使用fMOST和自适应光学显微镜对dCA1区域的神经元进行了详细的形态学分析和注册。
黑质致密部（SNC）：
对SNC中的多巴胺神经元进行了特异性标记和成像，记录了7个神经元的钙离子动态，发现其响应模式与目的脑区的投射模式相关。
使用fMOST成像技术对这些神经元进行了全脑成像和投射分析。
数据分析采用多种算法进行图像处理和细胞注册，包括基于血管分布和GRIN镜轨迹的图像注册，以及基于Zernike模式的泪液-适应性光学显微镜校正方法。
通过分析神经元响应模式和投射目标脑区，揭示了功能定义神经元的全脑投射模式。
结论及意义结论本文开发的研究方法成功地将全脑连接组与神经动态联系起来，并首次在皮层和皮层下区域实现了这一目标。研究结果表明，即使在相似的投射模式下，神经元也可能表现出功能上的异质性。这一发现为进一步理解大脑的功能组织提供了新的线索。
意义与价值科学价值：本文的研究成果对揭示神经网络的工作原理具有重要意义，提供了理解大脑如何通过复杂的连接模式进行功能组织的新方法。
应用价值：研究开发的成像和分析技术不仅可以用于基础科学研究，还可以推广应用于临床神经科学研究，为揭示神经病理机制提供新的工具和方法。
研究亮点新颖性：首次将全脑连接组与神经动态成功联系起来，特别是对于皮质下脑区的神经元。
方法创新：采用了多种尖端技术，包括体内成像、自适应光学显微镜和高分辨率fMOST成像，实现了对功能定义和分子定义神经元的全面分析。
广泛应用：所开发的方法和策略可以广泛应用于不同类型的神经元和功能研究，为神经科学研究开辟了新的方向。
其他有价值的信息研究得到了国家自然科学基金和国家科技创新2030重大项目等多个项目的资助，涉及多个研究机构的合作。研究团队感谢了多名研究人员和技术人员的支持与贡献。这项研究不仅进展了神经科学研究，同时也提供了开放数据和代码，供其他研究者进一步探索和验证。
本文通过详细的实验设计和数据分析，展示了将全脑连接组与神经动态联系起来的可能性和方法，为未来的神经科学研究提供了重要参考和借鉴。