研究进展

新闻类别:研究进展
2019-04-11

Cell Reports——骆清铭黄佐实合作研究基因特异单神经元解剖学结构揭示轴突-轴突细胞亚型

2019年3月12日,华中科技大学武汉光电国家研究中心骆清铭教授率领的MOST团队与美国冷泉港实验室黄佐实教授(Prof. Z. Josh Huang)课题组合作,在Cell Reports期刊发表了题为Genetic Single Neuron Anatomy Reveals Fine Granularity of Cortical Axo-Axonic Cells的文章。

人类大脑拥有近千亿个神经元,这些神经元通过复杂的突触连接组成脑网络,执行情感、记忆、运动等功能。研究脑网络中存在的细胞类型以及其连接模式,是科学家理解脑工作机理的第一步,也是各国脑计划项目优先资助的内容。

在大脑皮质中,椎体神经元在γ-氨基丁酸能(GABAergic)中间神经元的调控下,执行着复杂、高级的神经信息接收、处理和传输作用。AAC细胞(Axo-Axonic Cells,轴突-轴突细胞)由于在大脑皮质中特异性地支配椎体神经元的动作电位产生位点——轴突起始单元(AIS),因此被认为是γ-氨基丁酸能神经元中功能最强大的一类细胞类型,且与精神分裂、癫痫等脑疾病密切相关。将AAC细胞区分出细胞亚型,对进一步理解脑回路的构成和功能连接机理具有重要意义。

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                             1 gSNA单神经元解剖学结构研究AAC细胞亚型

单细胞水平的神经元精细结构研究能够直观的揭示神经元的输入-输出特性。在该项目中,研究人员们设计了一种适用于遗传特异标记的单神经元解剖学结构精准研究平台(genetic Single Neuron Anatomy platform, gSNA)(图1)。通过解决单细胞遗传标记、全脑精准成像、神经元重建和定量分析这四方面的难点,实现了小鼠全脑尺度、单细胞分辨的AAC细胞(又称吊灯细胞,ChC)完整解剖学结构的获取和分析。

该研究采用了华中科技大学MOST团队开发的一种fMOST荧光显微光学切片断层成像技术,可在全脑尺度获取单神经元完整重建所需的高质量原始图像,其成像分辨率对拥有密集轴突纤维分支的ChC细胞也能进行有效重建;并且同时提供全脑的细胞构筑图谱信息,保证了精准识别脑区和定量分析(图2)

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    2 AAC细胞全脑fMOST荧光显微光学切片断层成像结果

已有研究认为AAC是较单纯的一类神经元,在该研究中通过对多个脑区的AAC细胞进行系统性地单神经元重建,发现AAC细胞的胞体位置、树突和轴突纤维空间分布模式都不是随机分布的,而是与大脑的皮层分层特异相关(图3)。通过综合多个脑区的细胞重建数据,采用聚类分析等客观的定量分析方式对其进行细胞分型,研究结果发现,AAC细胞存在着多种细胞亚型。该团队基于单神经元完整解剖结构研究发现的AAC细胞亚型,更新了人们对AAC细胞的认知,有助于进一步理解AAC脑网络连接模式和功能角色。

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3 多脑区AAC细胞完整形态重建结果

该研究系统性地从单个神经元完整结构的角度,首次展示了一类特殊的γ-氨基丁酸能中间神经元AAC细胞所存在的细胞亚型。尽管以往也有针对AAC结构的研究,但大多数是在脑切片上进行,切片会导致数据损失,无法看清真实、完整的AAC细胞结构信息。华中科技大学MOST团队与美国冷泉港实验室的合作,为当前迫切的脑科学神经元细胞类型研究提供了新方法和新思路;建立的技术路线,也可用于其他分子特异神经元细胞类型的发掘。

据悉,该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目(61721092)、国家自然科学基金(81827901)和武汉光电国家研究中心主任基金的资助。骆清铭教授和黄佐实教授为论文共同通讯作者,王小俊博士为论文第一作者,美国冷泉港实验室Jason Tucciarone博士和华中科技大学博士生蒋思齐为共同第二作者,华中科技大学尹芳芳、贾瑶、贾雪艳、李宇昕、杨涛、徐正超、曾绍群和龚辉等作为共同作者参与相关工作。文章合作者还包括来自美国俄亥俄州立大学,乔治梅森大学的研究人员。

以下为文章信息:

Xiaojun Wang, Jason Tucciarone, Siqi Jiang, Fangfang Yin, Bor-shuen Wang, Dingkang Wang, Yao Jia, Xueyan Jia, Yuxin Li, Tao Yang, Zhengchao Xu, Masood A. Akram, Yusu Wang, Shaoqun Zeng, Giogio A. Ascoli, Partha Mitra, Hui Gong, Qingming Luo*, Z.Josh Huang*, Genetic single neuron anatomy reveals fine granularity of cortical axo-axonic cells, Cell Reports, 26,3145-3159(2019)