研究进展

新闻类别:研究进展
2017-12-21

骆清铭团队发表关于乙酰胆碱能神经元全脑图谱的研究成果

2016年5月31日,习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上指出“脑连接图谱研究是认知脑功能并进而探讨意识本质的科学前沿,这方面探索不仅有重要科学意义,而且对脑疾病防治、智能技术发展也具有引导作用。”。

明确脑内有多少种类型的神经元、获取脑内各种类型神经元的数目、解剖定位及神经元连接等信息,是准确解析神经结构的空间构成,进而建立脑连接图谱的关键。以往生物学研究中,人们主要采用手工切片、每张脑片分别成像,抽样估算神经元的数目,再通过对照参考脑图谱,大致确定神经元和神经环路的解剖定位。这种做法不仅耗时费力,而且对于认识三维脑空间内神经元真实复杂的形态结构,无疑是有着明显的缺陷。

针对这一重大需求,华中科技大学骆清铭团队十年磨一剑,自主研发了显微光学切片断层成像系统(Micro-optical Sectioning Tomography,MOST),实现了连续获取突起水平(亚微米分辨率)的完整脑数据,相关成果于2010年发表于《Science》期刊。在此基础上,该团队又建立了荧光显微光学切片断层成像方法和技术(fluorescence Micro-optical Sectioning Tomography,fMOST),2013年发表于《NeuroImage》。为了能在单神经元水平解析及定位全脑的神经元,该团队发明了高通量双通道全脑成像的方法(dfMOST),可同时获取鼠脑内每一个神经元精细形态及相应的解剖学空间位置信息的全脑数据集,该研究于2016年发表于《Nature Communication》。

2017年12月19日,《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了骆清铭团队和中国科学院神经科学研究所仇子龙组合作完成的乙酰胆碱能神经元小鼠全脑图谱的最新研究成果。该研究利用dfMOST精准成像技术,在单神经元水平解析了胆碱能神经元在全脑定位分布和基底前脑内的精细形态结构。

乙酰胆碱能神经元是脑内一群重要的调制类神经元,主要分布在基底前脑和脑干等多个脑区,通过其广泛分布的轴突纤维投射释放乙酰胆碱,调控皮层和皮层下核团的神经活动,参与运动、睡眠以及情感与记忆等重要功能。这类神经环路异常与老年痴呆、睡眠及认知障碍等多种神经系统疾病有关,相关机制的研究是医学与神经科学领域的热点。

华中科技大学骆清铭团队、中科院神经所仇子龙课题组及美国艾伦脑研究所Hongkui Zeng一起合作,利用dfMOST全脑精准成像技术(图A)结合荧光蛋白特异性标记的小鼠模型及病毒标记技术,获取了世界上第一套完整的胆碱能神经元三维全脑分布图谱,该图谱包括了小鼠胆碱能神经元在全脑的高分辨率分布数据集(图B)、21个主要分布脑区的定量信息(图C),为胆碱能神经元的功能研究提供了解剖学参考。在此基础上,该研究还重建了小鼠基底前脑50个胆碱能神经元的完整形态(图D),结合遗传标记、连接组和形态学参数进行了神经元分类(图E),并通过分析这些神经元的投射脑区,提出了单个神经元与下游脑区的新连接模型,即单个神经元的轴突分支倾向于共投射到具有相互连接关系的下游脑区,且相邻的胆碱能神经元可连接完全不同的下游环路(图F)。该研究为理解胆碱能神经元如何调控神经活动提供了新的参考,也为划分神经元亚类提供了新的启示。

该论文题为“乙酰胆碱能神经元全脑图谱和基底前脑胆碱能神经元介观投射组分析”(Generation of a whole-brain atlas for the cholinergicsystem and mesoscopic projectome analysis of basal forebrain cholinergicneurons),华中科技大学的李向宁副教授与中科院神经所博士研究生俞彬为共同第一作者,共同作者还有来自武汉光电国家研究中心的孙庆涛、张亚伦、任淼、张小艳、李安安、袁菁、骆清铭,美国Allen脑研究所的LindaMadisen和Hongkui Zeng研究员,华中科技大学的龚辉教授和中科院神经所仇子龙研究员为通讯作者。本工作得到国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ030260),国家自然科学基金创新群体(61421064),国家自然科学基金(91432105,91432111,81527901和31625013)及武汉光电国家实验室主任基金的资助。

小鼠全脑的乙酰胆碱能神经元图谱

(A)切片成像示意图;(B)全脑三维分布;(C)主要分布的21个脑区内定量计数;(D)50个基底前脑乙酰胆碱能神经元的完整形态;(E)基于神经元投射连接的分类结果;(F)相邻神经元具有不同的投射模式。