上海生科院等在乙酰膽堿能神經元全腦圖譜研究中獲進展

　　中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、中科院上海生命科學研究院神經科學研究所神經科學國家重點實驗室研究員仇子龍研究組，與華中科技大學駱清銘、龔輝團隊合作，在乙酰膽堿能神經元全腦圖譜研究中取得新進展。該研究基于全自動顯微成像方法——全腦定位系統(Brain-wide Positioning System，BPS)，在單細胞水平解析了全腦內膽堿能神經元的定位分布和基底前腦膽堿能神經元的精細形態結構及投射圖譜。相關研究成果以《乙酰膽堿能神經元全腦圖譜和基底前腦膽堿能神經元介觀投射組》為題，發表在《美國科學院院刊》上。

　　乙酰膽堿能神經元是腦內一群重要的調制類神經元，分布在基底前腦和腦干等多個腦區。膽堿能神經元通過其廣泛的軸突纖維投射釋放乙酰膽堿，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。膽堿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問題。

　　膽堿能神經元的數目、分布及形態結構信息是研究這類神經元功能的關鍵因素。已有研究顯示，膽堿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堿能神經元的主要分布腦區，粗略估算神經元的數目；受限于成像方法和標記技術，難以獲取神經元的完整形態結構信息。故而，長久以來始終缺乏精確的膽堿能神經元全腦三維分布圖譜可供研究者使用。膽堿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。雖然研究者們已經提出了一些連接模型和假說來描述膽堿能神經環路，但由于缺乏單神經元分辨率的神經元完整形態數據，這些模型均無法準確描述膽堿能神經元和其他腦區與神經元的連接模式。

　　為了獲取全腦內膽堿能神經元的分布圖譜和精細形態信息，該研究團隊與美國艾倫腦科學研究所教授曾紅葵合作，利用BPS全腦精細成像系統，結合熒光蛋白特異性標記膽堿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堿能神經元三維全腦分布圖譜。該圖譜包含了小鼠膽堿能神經元在各個腦區的分布數目、胞體大小及胞體密度等多種信息，可為膽堿能神經元的功能研究提供解剖學參考。在此基礎上，該研究還成功重建了小鼠基底前腦50個膽堿能神經元的完整形態，基于遺傳標記、連接組和形態學參數進行了神經元分類，并通過分析這些神經元的投射腦區，提出了單個膽堿能神經元調控下游腦區的新模型，即單個膽堿能神經元的軸突分支傾向于共投射到具有相互連接關系的下游腦區，且相鄰的膽堿能神經元有可能調控完全不同的下游環路。相關研究成果可為理解膽堿能神經元如何調控神經活動提供新的參考，為神經元劃分亞類提供新的啟示。

　　該研究得到了國家重大科學儀器設備開發專項、國家自然科學基金、國家自然科學基金創新群體、武漢光電國家實驗室主任基金等的資助。

乙酰膽堿能神經元全腦圖譜。A.全腦定位系統；B.乙酰膽堿能神經元全腦三維分布；C.乙酰膽堿能神經元主要分布的21個腦區內定量計數；D.50個基底前腦乙酰膽堿能神經元的完整形態；E.基于神經元投射連接的膽堿能神經元分類；F.相鄰膽堿能神經元的不同投射模式