Nature Neuroscience:小鼠前额叶单个神经元投射图谱研究取得新成果

《神经科学》以封面文章的形式在线发表了题为《小鼠前额叶单神经元投射图谱》的研究论文，该论文由中国科学院脑科学与智能技术卓越中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心严俊研究组和许宁龙研究组、华中科技大学苏州脑空间信息研究所和武汉光电国家研究中心龚辉团队合作完成。本研究在国际介观图谱领域率先重建了小鼠前额叶皮层6357个单个神经元的全脑投影图谱，建立了目前世界上最大的小鼠全脑介观神经连接图谱数据库。首次在小鼠前额叶皮质中发现了64种神经元投射亚型，揭示了它们的空间分布，阐明了前额叶皮质中的模块化连接网络和层级结构，以及神经元转录组亚型和投射亚型之间的对应关系，从而揭示了前额叶皮质内部连接和外部投射的规律，提出了前额叶皮质可能的工作模型。该研究不仅为进一步探索高级认知功能的神经机制奠定了结构基础，也为探索全脑介观神经连接图谱提供了重要的技术支持。

大脑皮层不同脑区之间的信息交换依赖于神经元的长程投射，不同投射模式的神经元往往参与不同的脑功能。因此，研究神经元的投射模式及其基本规律，对于分析大脑的组织结构和信息处理机制具有重要意义。过去，人们利用群体神经元示踪技术对小鼠皮质神经元的全脑投射进行了广泛的研究，发现皮质投射神经元可分为端脑内侧神经元、锥体束神经元和皮质丘脑神经元。然而，最近的研究表明，在这些传统的神经元类型中，仍然存在更复杂的神经元亚型，具有更精细的功能划分。系统地绘制单个神经元水平在大脑中的投影图，有助于发现新的神经元亚型和大脑网络的连接规律，从而更系统、更全面地分析大脑的工作原理。

要绘制小鼠等哺乳动物大脑中单个神经元水平的全脑投影图，需要以TB为单位的全脑光学成像数据，在三维空间中逐一重建单个神经元形态。整个过程工作量大，极其复杂耗时，是国际公认的难题。针对这一问题，闫军研究组苟凌峰博士通过几年的努力，自主研发了以Fast neurotite Tracer(FNT)为代表的TB级光学成像大数据神经元追踪分析软件，建立了一套在模型动物中研究各脑区神经连接图谱的研究方法和流程。

前额叶皮层在决策、工作记忆和注意力等高级认知功能中起着重要作用，其异常的结构和功能可导致多种脑部疾病。前额叶神经元的投射范围很广，几乎覆盖了大部分脑区，包括皮层、纹状体、丘脑、中脑和后脑。以往的研究大多采用群体神经元追踪技术来研究前额叶皮层神经元的全脑投射模式。在单个神经元水平上，前额叶皮层神经元轴突投射的规律性尚不清楚。虽然目前的研究表明，小鼠皮层不同脑区之间存在模块和层级结构，但前额叶皮层内部连接网络的性质有待研究。

通过与华中科技大学龚辉团队和脑智能卓越中心的介观神经连接图谱平台合作，获得了161只小鼠的全脑影像数据，重建了6357个前额叶的单个神经元轴突(图A)。在获得单个神经元在前额叶皮层的投影图后，研究团队利用自主开发的聚类分析方法，对神经元轴突形态的相似性进行了定量刻画和比较，获得了64个投影亚型，并绘制了这些神经元亚型在前额叶皮层的分布和深、浅皮层的分布(图B)。此外，研究通过建立高空间分辨率的前额叶内连接网络，发现前额叶内连接网络具有模块化性质和层级结构(图C)。通过与前额叶转录组数据的相关性分析，并通过使用反向追踪和单分子荧光原位杂交，发现单个转录组亚型对应多个投射亚型(图D)。

本研究开发了脑图谱大数据中高效重建神经元的软件FNT，构建了小鼠前额叶皮层单个神经元投影图谱。发现前额叶皮层有64种神经元投射亚型，前额叶皮层内存在模块和层级结构，为解释前额叶皮层的工作机制提供了线索。其中，单个转录组亚型对应多个投影亚型的规则进一步凸显了单个神经元投影图对于神经元分类的重要性。