發布時間：2023-05-22
2023年5月22日，《Nature Neuroscience》期刊在線發表了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）嚴軍研究組題為《Single neuron analysis of dendrites and axons reveals the network organization in mouse prefrontal cortex》的研究論文。該研究工作通過重構和分析小鼠前額葉皮層單神經元的樹突和軸突完整形態，全面刻畫了前額葉皮層投射神經元樹突的多樣性和形態類型、揭示了神經元樹突形態與軸突投射的關系、進而重構了前額葉皮層投射神經元類型之間的聯接網絡。該研究工作為深入研究前額葉皮層的功能提供了重要線索，對神經元計算建模和啟發人工智能也有重要意義。
樹突和軸突是神經元整合和傳輸信息的基本結構。研究樹突形態的多樣性及其與軸突投射的關系對于理解神經元的信息處理模式有重要意義。皮層投射神經元的樹突具有豐富的形態，是神經元分類的重要特征之一。前人主要通過腦片成像重構皮層神經元的樹突形態，往往丟失了神經元的三維空間位置，重構的樹突形態也不完整，難以全面刻畫樹突形態的多樣性。另外，為了研究樹突形態與軸突投射的關系，前人主要通過在下游靶區注射逆行示蹤劑和腦片重構樹突形態。然而，皮層神經元的投射靶區眾多，利用逆行標記的手段需要基于先驗知識獲得靶區信息，無法獲得完整的軸突投射信息。因此，系統地研究樹突形態的多樣性及其與軸突投射的關系需要繪制和分析單神經元完整的樹突和軸突形態。此前，嚴軍研究組與徐寧龍研究組、華中科技大學龔輝團隊合作率先重構了小鼠前額葉皮層6357個單神經元全腦投射圖譜 (Gao et al. Nature Neuroscience 2022)。但在單神經元水平，樹突形態與軸突投射關系還不清楚。
為了研究這一問題，嚴軍研究組在此前工作的基礎上重構了1920個神經元的樹突形態（圖1），其中包括1515個典型錐體神經元樹突和405個非典型錐體神經元樹突。通過精細定量刻畫樹突的形態和聚類分析，研究人員發現了24種類型的典型錐體神經元樹突以及多種非典型錐體神經元樹突（圖2）。
接著，研究人員進一步研究了神經元樹突形態和軸突投射的關系，發現樹突越復雜的神經元軸突投射也越廣泛，并且由樹突形態定義的神經元亞型與由軸突投射定義的神經元亞型之間有很強的對應關系，說明神經元在接收信號和傳遞信號的模式上具有一致性（圖3A）。在前額葉皮層PL-ACA區域存在兩類軸突投射不同的PT神經元（SCm投射和PCG投射），而它們的樹突形態也存在顯著差異。同時，通過逆行標記和膜片鉗記錄，研究人員發現這兩類神經元在電生理性質上也存在著顯著差異（圖3B），說明樹突形態和軸突投射的變化伴隨著神經元在功能上的變化。
最后，利用樹突和軸突的三維空間分布，研究人員建立了前額葉皮層不同神經元類型之間的聯接網絡，并分析了在同一個“皮層柱”內、同側和對側“皮層柱”之間和同側不同“皮層柱”之間的網絡聯接性質。研究人員發現了一系列神經元類型特異的聯接模式，揭示了不同神經元類型之間的不對稱聯接作為皮層淺層到深層的信息流動的結構基礎（圖4）。
該研究通過全面重構和分析小鼠前額葉皮層單神經元的樹突和軸突形態，發現了一系列新的樹突類型，通過樹突-軸突聯合分析，系統揭示了樹突和軸突形態的關系，其中PT神經元的樹突形態和軸突投射存在一致的變化，并伴隨著電生理性質的相應變化。最后，研究人員利用樹突和軸突的空間分布，建立和分析了前額葉皮層神經元類型之間的聯接網絡。這些研究結果為進一步研究前額葉皮層的功能、神經元計算建模、啟發人工智能提供了重要線索和結構基礎。
該研究工作在嚴軍研究員的指導下，由高樂博士和劉桑博士研究生共同完成，王彥智博士研究生、吳啟文博士、茍凌峰博士也做出了重要貢獻。該研究工作得到了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心徐寧龍、孫衍剛、姚海珊、徐春、李澄宇研究組、小鼠腦圖譜平臺團隊、華中科技大學龔輝團隊的幫助。該工作獲得科技部、基金委、中國科學院、上海市、臨港實驗室的資助。
圖1 神經元樹突和軸突形態的完整重構。（A）fMOST原始圖像和單神經元重構結果。(B)重構的前額葉皮層神經元（n=1920）的樹突和軸突。（C）重構神經元胞體在前額葉皮層亞區的空間分布。
圖2 前額葉皮層投射神經元的樹突形態類型。（A）24個典型錐體神經元的樹突類型。（B）L2/3非典型錐體神經元的樹突類型、L4棘星狀神經元的樹突形態和L6非典型錐體神經元的樹突類型。
圖3 典型錐體神經元的樹突形態、軸突投射和電生理性質的關系。（A）典型錐體神經元樹突類型與軸突投射類型的對應關系。（B）逆行標記和膜片鉗記錄示意圖。（C）在注入不同強度的電流時，SCm投射和PCG投射神經元的動作電位發放。
圖4 基于樹突和軸突形態構建和分析前額葉皮層聯接網絡。（A）計算兩個神經元之間潛在聯接的示意圖。（B）前額葉皮層不同類型神經元之間的聯接網絡。（C）同一個“皮層柱”內不同類型神經元的聯接模式。（D）神經元類型之間聯接對稱性的分析和結果示意圖。
附件下載： 
