2019年7月8日，華中科技大學武漢光電國家研究中心駱清銘教授團隊在《自然|神經(jīng)科學》（Nature Neuroscience）學術期刊上發(fā)表了題為“A whole-brain map of long-range inputs to GABAergic interneurons in the mouse medial prefrontal cortex”的文章，詳細描繪了小鼠內側前額葉皮層γ-氨基丁酸（GABA）能神經(jīng)元長程輸入環(huán)路的全腦圖譜。

大腦皮層是由不同類型神經(jīng)細胞相互連接組成的高度復雜神經(jīng)網(wǎng)絡，其解剖結構是信息在腦中傳遞的基礎。為理解大腦內神經(jīng)信息的處理機制，在整個皮層甚至全腦范圍要對神經(jīng)環(huán)路的結構及生理信息進行解析，首先需要了解不同類型的神經(jīng)細胞在腦內是如何分布的，以及相互之間是如何連接，包括神經(jīng)細胞在大腦內的準確定位、精細的形態(tài)結構、以及在環(huán)路中的連接關系等。

內側前額葉皮層在學習、決策和情緒等高級功能中起著重要作用，其結構和功能的異常會導致抑郁、精神分裂、癲癇等精神疾病。作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制類神經(jīng)元，GABA能神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)興奮抑制平衡的重要調控因素。GABA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一種重要的抑制性神經(jīng)遞質，其功能紊亂與一系列神經(jīng)精神疾病密切相關。根據(jù)神經(jīng)標志物可將GABA能神經(jīng)元分為多個亞型，主要包括表達小清蛋白的PV陽性神經(jīng)元，表達生長激素抑制素的SST陽性神經(jīng)元和表達血管活性腸肽的VIP陽性神經(jīng)元。已有研究表明，這些亞型的神經(jīng)元具有不同的功能，但其環(huán)路是如何組成尚不清楚，如長程輸入環(huán)路在哪兒？長什么樣？再如，是否特定環(huán)路內的神經(jīng)元能夠投射到一個還是多個目標區(qū)域，不同亞型神經(jīng)元的上游輸入神經(jīng)元的起源是否一致？

駱清銘教授團隊利用自主研發(fā)的熒光顯微光學切片斷層成像技術（fluorescent micro-optical sectioning tomography, fMOST），結合神經(jīng)示蹤術，詳盡解析了小鼠腦內側前額葉的兩個亞區(qū)內三種亞型GABA能神經(jīng)元的上游長程輸入環(huán)路。研究發(fā)現(xiàn)，三種GABA能神經(jīng)元接受相同腦區(qū)的輸入，但不同腦區(qū)輸入的比例不同。用免疫組化方法證實了內側前額葉皮層的輸入是有多種神經(jīng)遞質的調控，包括基底前腦的PV陽性長程投射神經(jīng)元、膽堿能神經(jīng)元和來自中縫核的五羥色胺神經(jīng)元。結合電生理記錄，進一步發(fā)現(xiàn)輸入到內側前額葉GABA能神經(jīng)元的基底前腦膽堿能神經(jīng)元和中縫核的五羥色胺神經(jīng)元均可共釋放谷氨酸。

借助于高分辨率成像獲得的全腦數(shù)據(jù)集，研究人員重建出了119個輸入神經(jīng)元的三維形態(tài)結構。圖像顯示，基底前腦的輸入神經(jīng)元可同時調控內側前額葉及丘腦核團，而后者也可投射到內側前額葉，形成基底前腦-前額葉皮層-丘腦的神經(jīng)環(huán)路；并發(fā)現(xiàn)存在內側前額葉-紋狀體-前側丘腦-內側前額葉的新環(huán)路。該研究為理解基底前腦和丘腦如何調控皮層和皮層下的神經(jīng)活動提供了新的模型。進而，通過重建皮層和海馬輸入神經(jīng)元的精細形態(tài)，發(fā)現(xiàn)投射到內側前額葉皮層的新型神經(jīng)元不同亞型的GABA能神經(jīng)元表現(xiàn)出了不同的輸入模式，這些不同的平行環(huán)路可能執(zhí)行不同的功能。這些研究將為神經(jīng)元分類和內側前額葉皮層的功能提供新的參考。

圖1 使用fMOST技術結合RV病毒逆行示蹤法，解析內側前額葉不同GABA能神經(jīng)元的輸入神經(jīng)元的全腦分布、上游輸入神經(jīng)元新類型和新環(huán)路。A. 研究流程示意圖。B. 內側前額葉兩個亞區(qū)內的三種GABA能神經(jīng)元長程輸入神經(jīng)元，在小鼠全腦內的三維分布圖。C. 三維重建的皮層輸入神經(jīng)元和形態(tài)模式分類結果。D. 三維重建的海馬輸入神經(jīng)元。E. 內側前額葉與無名核以及前側丘腦構成的新環(huán)路模式圖。 

綜上所述，研究者們利用自主研發(fā)的熒光顯微光學切片斷層成像技術，結合逆行跨一級病毒示蹤方法，建立了迄今最詳盡的小鼠內側前額葉特定類型神經(jīng)元的全腦長程輸入圖譜。該圖譜不僅包括內側前額葉特定類型神經(jīng)元的上游輸入神經(jīng)元的分布（在哪兒），還包括了這些輸入神經(jīng)元的遞質類型和形態(tài)特征（長什么樣）、以及共投射腦區(qū)信息等（和誰聯(lián)系）等。該圖譜為研究和模擬內側前額葉所在環(huán)路的功能奠定了單細胞分辨的解剖學基礎；基于靶向腦區(qū)及共投射腦區(qū)的分類方法，也為環(huán)路的組織模式和神經(jīng)元分類研究開拓了新的思路。

本研究由華中科技大學武漢光電國家研究中心駱清銘教授團隊完成，博士生孫慶濤和李向寧副教授為共同第一作者，華中科技大學任淼、趙夢婷、鐘秋園、羅盤、倪鴻、張小宇、張晨、袁菁、李安安和龔輝等共同參與了本項研究，北京生命科學研究所羅敏敏研究員和博士生任育齊協(xié)助完成了電生理實驗。本研究得到了國家自然科學基金創(chuàng)新群體（61721092）、國家自然科學基金（91632302，91749209，31871088）資助和武漢光電國家研究中心主任基金的資助。