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规模最大!上海科学家领衔完成小鼠海马单神经元全脑投射图谱 脑科学探索稳步推进

规模最大!上海科学家领衔完成小鼠海马单神经元全脑投射图谱 脑科学探索稳步推进飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2024-02-02 17:54:12

图说:研究成果于2日凌晨在《科学》杂志发表 来源/中国科学院脑智卓越中心(下同)

海马区,藏在我们大脑深处,如其名,外形酷似海洋生物海马。小小一块,功能多多——学习记忆、空间认知、情绪处理……“海马”要是病了,就会造成那些闻之色变的疾病:癫痫、帕金森、老年痴呆。

北京时间今天(2日)凌晨,国际顶级学术期刊《科学》(Science)发表了由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)领衔的最新研究成果。科研团队解析了海马神经元的空间联接规律,构建了10100个小鼠海马单神经元的全脑投射轴突形态,并对43个具有不同投射模式的投射亚型进行了分类——这是目前世界上最大的小鼠海马脑区单神经元全脑投射联接图谱数据集

图说:海马是脑科学研究中最受关注的脑区之一

在中国科学院院士、中国科学院脑智卓越中心学术主任蒲慕明看来,此次研究成果为探索海马神经元相关的功能和疾病提供了环路和分子基因的靶点,为左右脑半球的信息交流和相互调节提供了新的证据,也为未来涉及海马的神经回路的功能剖析奠定了基础。

中国科学院脑智卓越中心研究员徐春是论文的共同通讯作者。他解释,神经元通过广泛的轴突侧支投射,将输出信号广播到附近或远处大脑区域的其他神经元。了解单细胞水平轴突投射模式的空间组织,对于阐明各种大脑功能背后的神经回路至关重要。

图说:海马单神经元全脑投射规律的图示总结

时至今日,科学家对海马功能的探索已长达近一个世纪,这块脑区也成为了当下脑科学领域的“宠儿”,并在2014年获得了诺贝尔生理学或医学奖的青睐。随着科学研究的不断深入,海马脑区被发现参与了多种不同大脑功能,比如恐惧记忆、场景认知、记忆泛化、情绪焦虑和社交记忆等。

“海马的核心回路包括其子区域内神经元之间的串行连接。”徐春介绍,“这些核心回路通过轴突投射与海马体外的各种大脑区域相连。”然而,以往的研究绝大部分都停留在群体神经元标记的水平,海马单神经元的多样化全脑投射模式并不清楚。

这也就不难理解,有一张高精度的全脑网络联接的“地图”,对于认识神秘的大脑有多么重要了。

图说:研究构建了上万个小鼠海马单神经元的全脑投射轴突形态

在这项研究中,徐春领衔的研究团队充分发挥了团队攻关的组织优势,系统地绘制了所有海马亚区中大量单个神经元的轴突投射模式。“我们将稀疏标记方法与荧光显微光学切片断层扫描(fMOST)相结合,绘制了10100个海马神经元的轴突投射及其在海马内和外区域的树化模式。”中国科学院脑智卓越中心博士邱收告诉记者,“研究团队开创性地将轴突投射路径与机器识别算法相结合,阐述了海马神经元前后轴的轴突投射路径,为研究海马投射下游脑区之间的关系提供了新的视角。”他感叹,团队不少成员是生物学背景,“转行”挑战计算分析,挺艰难,但好在成功了。

徐春表示,研究发现了海马单神经元的投射新模式,例如许多投射组亚型富集在由空间转录组谱定义的特定海马亚结构中;研究还证实了海马投射细胞类型与基因表达谱存在空间分布相关性,“这系统阐述了海马基因表达的空间特异性,有助于在未来阐明神经环路类型与特定基因表达谱的对应关系,通过基因编辑等技术操控特定海马投射细胞类型,研究或修复大脑功能。”

图说:海马神经元胞体位置与投射目标互相对应

值得一提的是,利用研究数据,科研人员创建了一个开放的数据库。中国科学院脑智卓越中心脑科学数据与计算中心开发了集可视化、交互和分析为一体的工具,并提供数据下载服务。

细胞图谱、联接图谱、功能图谱,层层递进;小鼠大脑、猕猴大脑、人类大脑,难上加难。去年夏天,中国科学院脑智卓越中心完成了猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱,让人们弄清了细胞的位置和种类,可这显然不够。“这项研究是‘中国脑计划’布局的。从细胞图谱进入联接图谱非常关键。未来,我们要在联接的层面上关注信息如何传导。”蒲慕明指出,“在联接图谱和非人灵长类领域,我们在国际上是有优势的,但发展还需要更多支撑。”

他再次强调,脑科学研究要“有所为有所不为”,在重要领域必须占有一席之地,同时也要联合国际力量开展人脑图谱的攻关,“从小鼠到猕猴,难度上升两个数量级,从猕猴到人脑,又是两个数量级的陡增,脑科学前路漫漫,但却必须完成。”

记者发现,这项工作同样也是大团队协作的范例。除了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心外,华中科技大学苏州脑空间信息研究院、海南大学、中国科学院昆明动物研究所、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心等多家单位携手同行,合力攻关。

新民晚报记者 郜阳


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编辑:杨玉红
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