PNAS：乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜

Brainnews 文獻分享

12月18日， 《美國科學院院報》（PNAS）線上發表了題為“乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜和基底前腦膽鹼能神經元介觀投射組”（Generation of a whole-brain atlas for the cholinergic system andmesoscopic projectome analysis of basal forebrain cholinergic neurons）的研究成果。 該研究由華中科技大學駱清銘教授、龔輝教授領銜的VBN團隊和中國科學院神經科學研究所、腦科學與智慧技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室的仇子龍研究組合作完成。 該研究基於VBN團隊自主研發的全自動顯微成像方法——全腦定位系統(Brain-wide Positioning System， BPS)， 在單細胞水準解析了全腦內膽鹼能神經元的定位分佈和基底前腦膽鹼能神經元的精細形態結構及投射圖譜。

乙醯膽鹼能神經元是腦內一群重要的調製類神經元，

分佈在基底前腦和腦乾等多個腦區。 膽鹼能神經元通過其廣泛的軸突纖維投射釋放乙醯膽鹼， 調控皮層、海馬和皮層下核團的神經活動， 參與運動、睡眠以及情感與記憶等多種功能。 膽鹼能神經元的功能異常與老年癡呆， 睡眠及認知障礙等多種神經系統疾病有關， 相關機制研究已成為目前醫學與神經科學領域的熱點之一。

膽鹼能神經元的數目、分佈及形態結構資訊是研究這類神經元功能的關鍵因素， 已有研究顯示， 膽鹼能神經元的數目和神經退行性疾病有關。 以往的研究中， 通過傳統的二維組織切片只能獲取膽鹼能神經元的主要分佈腦區， 粗略估算神經元的數目；受限於成像方法和標記技術，

無法獲取神經元的完整形態結構資訊。 因此一直缺乏精確的膽鹼能神經元全腦三維分佈圖譜可供研究者使用。 此外， 膽鹼能神經元通過其廣泛的長程軸突投射調控皮層和皮層下多個核團， 然而其如何調控眾多的核團始終未知， 研究者們已經提出了一些連接模型和假說來描述膽鹼能神經環路， 但由於缺乏單神經元解析度的神經元完整形態資料， 這些模型均無法準確描述膽鹼能神經元和其他腦區和神經元的連接模式。

為了獲取全腦內膽鹼能神經元的分佈圖譜和精細形態資訊， 駱清銘教授、龔輝教授團隊、仇子龍研究員及艾倫腦研究所曾紅葵教授合作， 利用BPS全腦精細成像系統（圖A）結合螢光蛋白特異性標記膽鹼能神經元的小鼠模型及病毒標記技術，

獲取了世界上第一套完整的膽鹼能神經元三維全腦分佈圖譜（圖B）， 該圖譜包含了小鼠膽堿能神經元在各個腦區的分佈數目（圖C）、胞體大小及胞體密度等多種資訊， 為膽鹼能神經元的功能研究提供了解剖學參考。 在此基礎上， 該研究還成功重建了小鼠基底前腦50個膽鹼能神經元的完整形態（圖D）， 基於遺傳標記、連接組和形態學參數進行了神經元分類（圖E）， 並通過分析這些神經元的投射腦區， 提出了單個膽鹼能神經元調控下游腦區的新模型， 即單個膽鹼能神經元的軸突分支傾向於共投射到具有相互連接關係的下游腦區， 且相鄰的膽鹼能神經元有可能調控完全不同的下游環路（圖F）。 該研究為理解膽鹼能神經元如何調控神經活動提供了新的參考， 也為神經元劃分亞類提供了新的啟示。

該工作由華中科技大學的李向甯博士與仇子龍組的博士研究生俞彬在仇子龍研究員與龔輝教授的共同指導下完成。 並得到了美國艾倫腦研究所Zeng Hongkui教授的大力幫助。 本工作得到國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ030260）， 國家自然科學基金創新群體（61421064）， 國家自然科學基金（91432105， 91432111， 81527901和31625013）及武漢光電國家實驗室主任基金的資助。

圖注：乙醯膽鹼能神經元全腦圖譜（A）全腦定位系統(Brain-wide Positioning System， BPS)。 （B）乙醯膽鹼能神經元全腦三維分佈。 （C）乙醯膽鹼能神經元主要分佈的21個腦區內定量計數。

（D）50個基底前腦乙醯膽鹼能神經元的完整形態。 （E）基於神經元投射連接的膽鹼能神經元分類。 （F）相鄰膽鹼能神經元的不同投射模式。