發布時間：2024-02-04
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????2024年2月2日，《科學》期刊在線發表了題為《Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes》的研究論文。該研究解析了海馬神經元的空間聯接規律，并建立了小鼠海馬腦區單神經元的全腦介觀投射聯接圖譜的數據庫。該研究成果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）領銜，與華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、海南大學、中國科學院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心等多家單位的科研團隊合作完成。?
海馬腦區與記憶功能緊密關聯的科學證據最早來自于廣為人知的Henry Molaison（1926-2008）病例研究。為了治療癲癇，病人被切除了海馬和周邊的部分顳葉組織。病人在術后表現為短期記憶嚴重受損，而長期記憶卻不受影響。由此，海馬與學習記憶相關功能的研究拉開了序幕，之后海馬神經元突觸可塑性的研究進一步奠定了海馬腦區在學習記憶功能當中的核心地位。時至今日，科學家對海馬功能的探索已長達近一個世紀，可謂經久不衰。在上世紀七十年代，John O'Kefee等首先在大鼠的海馬區內發現了位置細胞（place cell），并獲得2014年諾貝爾生理學或醫學獎，從此也揭示了海馬在空間信息表征和導航中的重要作用。現如今，海馬仍然是大腦內研究最為廣泛的腦區之一。隨著科學研究的不斷深入，海馬腦區還被發現參與了多種不同大腦功能，比如恐懼記憶、場景認知、記憶泛化、情緒焦慮和社交記憶等。海馬神經元在全腦范圍內的廣泛投射是這些大腦功能的重要基礎。然而，以往的研究絕大部分都停留在群體神經元標記的水平，海馬單神經元的多樣化全腦投射模式并不清楚。因此，研究單個海馬神經元的全腦投射模式具有重要的科學意義；鑒定海馬單神經元投射模式的細胞類型，解析海馬腦區內的胞體位置與基因表達和環路功能之間的潛在關系，是理解海馬神經元的實現多種大腦功能的重要基礎。?
徐春研究員領銜的研究團隊充分發揮了團隊攻關的組織優勢，三維重構了上萬個小鼠海馬區單神經元的全腦投射軸突形態。這些海馬神經元的胞體覆蓋了海馬的各個亞區和海馬多維軸向的不同位置，是目前世界上最大的單神經元全腦投射圖譜數據集。通過海馬單細胞投射圖譜的數據庫構建與分析，研究團隊開創性地將軸突投射路徑與機器識別算法相結合，闡述了海馬神經元前后軸的軸突投射路徑，為研究海馬投射下游腦區之間的關系提供了新的視角，同時更加有效快捷地分析了小鼠海馬神經元的341種主要投射模式的形態相似性，最終歸納總結出43種全腦投射細胞類型。?
該研究將投射細胞類型與空間轉錄組數據進行聯合分析，鑒定了與不同投射細胞類型空間分布相關的基因，揭示了全新的海馬神經元投射模式以及海馬體內外靶區的協調投射規律，闡明了雙側大腦投射的新規律，擴展了領域內的層狀理論，全面展示了胞體與軸突末梢的空間映射關系，解析了海馬神經元胞體位置與投射模式的對應關系，發現了海馬單細胞的空間投射規律。?
這些研究成果為研究海馬神經元相關的功能和疾病提供了環路和分子基因的靶點，為左右腦半球的信息交流和相互調節提供了新的證據，為研究海馬神經元各種腦功能提供了詳實的投射信息參考，為海馬輸出環路功能研究提出了海馬神經元投射模式的新方向，為海馬參與學習記憶、空間認知、導航、焦慮、應激等多種功能提供新的神經環路理論指導。?
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圖示，海馬單神經元全腦投射規律的圖示總結。陳世碩繪制。?
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該研究構建的小鼠海馬區單神經元的全腦介觀投射圖譜數據庫已經通過腦科學門戶網站公開共享（https://mouse.digital-brain.cn/hipp）。中國科學院腦科學數據與計算中心開發了集可視化、交互和分析為一體的工具，并提供數據下載服務。?
該研究的數據分析工作由中國科學院腦智卓越中心博士研究生邱收領銜，并與胡亞闖、黃奕銘和高淘沙等共同合作完成。中國科學院腦智卓越中心（神經科學研究所）研究員徐春、孫衍剛、孫怡迪、姚海珊、李澄宇和華中科技大學蘇州腦空間信息研究院龔輝教授為該論文共同通訊作者。?
該研究得到了中國科學院腦智卓越中心學術主任蒲慕明院士、海南大學駱清銘院士、中國科學院昆明動物研究所徐林研究員、中國科學院腦智卓越中心徐寧龍研究員、嚴軍研究員，中國科學院腦智卓越中心全腦介觀神經聯接圖譜平臺，腦科學數據與計算中心的大力支持。?
該研究受到了科技部重點研發計劃、科技部科技創新2030-重大項目“腦科學與類腦研究”、上海市級重大專項“全腦神經聯接圖譜與克隆猴模型計劃”、中國科學院、基金委、上海市、臨港實驗室重大任務等項目的支持。?
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