科研人員繪制小鼠前額葉單神經元全腦聯接圖譜

大腦這一充滿神秘的器官，如同深空一般充滿著未知，人類對其探索的步伐從未停下。通過科學家的不斷努力，終于通過小鼠大腦的前額葉神經元，繪制出了一幅壯闊的神經聯接地圖。

3月31日，Nature Neuroscience期刊以封面文章的形式在線發表了題為《小鼠前額葉單神經元投射圖譜》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心嚴軍研究組、徐寧龍研究組與華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、武漢光電國家研究中心龔輝團隊合作完成。

前額葉皮層在決策、工作記憶、注意力等高級認知功能中扮演重要角色，其結構和功能的異常會導致多種腦疾病。前額葉神經元投射范圍很廣，幾乎覆蓋大部分腦區，包括皮層、紋狀體、丘腦、中腦和后腦等。對鼠腦前額葉的研究，不僅可以為深入研究高級認知功能的神經機制奠定了結構基礎，也為日后全腦聯接圖譜的研究打下基礎，乃至啟發人工智能的發展。

腦中奧秘 神經元“高鐵”

腦智卓越中心嚴軍團隊通過與徐寧龍團隊、華中科技大學龔輝團隊、腦智卓越中心全腦介觀神經聯接圖譜平臺等多個團隊合作，該研究在國際介觀圖譜領域率先重構了小鼠前額葉皮層6357個單神經元全腦投射圖譜，建立了國際上最大的小鼠單神經元全腦投射圖譜數據庫。該開放數據庫的建立，預示著我國腦科學研究已經不再是單個研究者、實驗室的工作，通過更廣泛的參與，學科交叉合作研究腦科學的時代正在到來。

該研究首次發現小鼠前額葉皮層中存在64類神經元投射亞型，揭示了其空間分布規律，闡明了前額葉內部模塊化的連接網絡和等級結構、神經元轉錄組亞型與投射亞型的對應關系，從而揭示了前額葉皮層內部連接和外部投射的規律，并提出了前額葉皮層可能的工作模型。

大腦不同腦區之間的信息交流依賴于神經元的長程投射，擁有不同投射模式的神經元往往參與不同的腦功能。前額葉中的神經元，如同人腦中的高鐵路線一般，從某一點發車，經過共同的主干線，但終點卻各不相同。而這些神經元的路線，從某種意義上說，就是大腦的神經“地圖”。

嚴軍研究團隊利用自主開發的聚類分析方法，定量刻畫比較神經元軸突形態的相似性，獲得了64個投射亞型，并繪制出這些神經元亞型在前額葉亞區的分布和皮層深淺層的分布。這些不同的投射亞型就類似于高鐵的不同路線圖。

同時神經元也像高鐵一樣負責全腦長程聯接，因此，研究神經元的投射模式及其基本規律對于理解大腦的組織結構和信息處理機制具有重要的意義。

創新技術 讓研究突破以往限制

以往，研究人員利用群體神經元示蹤技術，對小鼠皮層神經元的全腦投射進行了廣泛研究，發現皮層投射神經元可以分為端腦內側束神經元、錐體束神經元和皮層丘腦神經元。然而，近年研究表明，在這些傳統的神經元類型中還存在著更復雜、功能分工更精細的神經元亞型。系統地繪制大腦單神經元水平的投射圖譜，有助于發現新的神經元亞型和腦網絡的聯接規則，從而更系統全面地揭示大腦的工作原理。

鼠腦有著一億個以上的神經元，將它們的軸突排列起來，可以從中國的最西邊連接至最東邊。而繪制小鼠等哺乳動物大腦中單神經元水平的全腦投射圖譜，需要對單神經元的軸突形態逐個進行三維重構。

整個過程，是國際上公認的難題。為解決這一問題，嚴軍研究組的茍凌峰博士通過數年的努力攻關，自主開發了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級光學成像大數據神經元追蹤及分析軟件，為研究模式動物各腦區的神經聯接圖譜建立了一套國際領先的研究方法和流程。該研究成功構建了小鼠前額葉單神經元投射圖譜，發現了前額葉存在64個神經元投射亞型和前額葉內部連接存在模塊和等級結構，為理解前額葉的工作機制提供了線索。其中，單個轉錄組亞型對應多個投射亞型這一規律，進一步突顯出了單神經元投射圖譜對于神經元分類的重要性。

FNT軟件系統的研發和調試過程得到了上海濟光職業技術學院咸菁、喬彥青團隊和眾多學生志愿者的幫助。華中科技大學龔輝團隊承擔了全腦成像數據的采集。腦智卓越中心學術主任蒲慕明院士給予了寶貴建議。該研究獲得上海市、科技部、中科院、基金委的資助。在各方努力之下，重構了小鼠前額葉皮層中超過6000個單神經元分辨率的軸突數據。

該數據不僅揭示了前額葉神經元令人驚嘆的多樣性，而且通過對它們的分析，為神經環路潛在的組織原則提供了基礎，也為神經科學界提供了不可估量的寶貴資源。(吳天一  科技日報記者 王春)

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