基于fMOST系統(tǒng)構建的高精度乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜在PNAS上發(fā)表
2017-12-20
美國時間2017年12月19日，《美國科學院院報》（PNAS）在線發(fā)表了題為“Generation of a whole-brain atlas for the cholinergic system and mesoscopic projectome analysis of basal forebrain cholinergic neurons”的研究成果，即“乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜和基底前腦膽堿能神經(jīng)元介觀投射組”。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(jīng)科學研究所、腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心的仇子龍研究員課題組合作完成。
研究介紹：大腦中的膽堿能系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動，在調(diào)節(jié)感覺、運動功能以及認知行為方面起著至關重要的作用。膽堿能神經(jīng)元的異常與老年癡呆、睡眠及認知障礙等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關，相關機制的研究已成為目前醫(yī)學與神經(jīng)科學領域的熱點。 研究人員基于駱清銘團隊自主研發(fā)的全自動顯微成像方法——全腦定位系統(tǒng)（Brain-wide Positioning System, BPS），并結合特異性標記熒光蛋白的小鼠模型及病毒標記技術，在單神經(jīng)元水平解析了膽堿能神經(jīng)元在全腦定位分布和基底前腦內(nèi)的精細形態(tài)結構, 獲取了世界上第一套完整的膽堿能神經(jīng)元三維全腦分布圖譜。 膽堿能神經(jīng)元的數(shù)目、分布及形態(tài)結構信息是研究這類神經(jīng)元功能的關鍵因素。已有研究顯示，其數(shù)目和神經(jīng)退行性疾病有關。以往的研究通常獲得的是二維組織切片的圖像，只能大致獲取神經(jīng)元的分布和估算神經(jīng)元的數(shù)目；受限于成像方法和標記技術，更加難以獲取神經(jīng)元的完整形態(tài)結構信息，因此一直沒有精確的膽堿能神經(jīng)元三維全腦分布圖譜的報道。此外，膽堿能神經(jīng)元可能通過其廣泛的長程軸突投射調(diào)控皮層和皮層下核團，雖然研究者提出了一些連接模型和假說來描述這類神經(jīng)環(huán)路，但由于缺乏真實直接的完整形態(tài)數(shù)據(jù)，這些模型均無法準確描述膽堿能神經(jīng)元和其它腦區(qū)/神經(jīng)元的連接關系。
乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦圖譜 （A）BPS系統(tǒng)(BioMapping3000)成像示意圖。（B）乙酰膽堿能神經(jīng)元全腦三維分布。（C）乙酰膽堿能神經(jīng)元主要分布的21個腦區(qū)內(nèi)定量計數(shù)。（D）50個基底前腦乙酰膽堿能神經(jīng)元的完整形態(tài)。（E）基于神經(jīng)元投射連接對膽堿能神經(jīng)元的分類結果。（F）相鄰膽堿能神經(jīng)元具有不同的投射模式。
龔輝教授闡述了BPS全腦精準成像系統(tǒng)在繪制膽堿能神經(jīng)元分布圖譜上的優(yōu)勢： “前些年，我們首先發(fā)展出全腦三維亞微米分辨率成像的顯微光學成像技術（對于非熒光標記樣本的MOST和對熒光標記樣本的 fMOST），我們建立的成像技術不僅可以看到神經(jīng)元的胞體，還可以看到向神經(jīng)元輸入信息的樹突和輸出信息的軸突。當然只看到漂亮的神經(jīng)元的形態(tài)結構還不夠，我們還要知道每一個神經(jīng)元到底是在腦內(nèi)的什么位置，這好比于要知道每一座房子所在地球上的三維坐標是什么，去年我們在《自然-通訊》期刊發(fā)表的文章，建立了精準成像技術：同時獲得神經(jīng)元的精細結構和準確位置的精準成像。正是利用這種成像技術以及我們的大數(shù)據(jù)處理與分析技術，成為完成這項成果的重要技術保障。”
這項研究工作的共同第一作者分別為華中科技大學的李向寧博士與仇子龍組的博士研究生俞彬。同時，得到了美國艾倫腦研究所曾紅葵教授的大力幫助。
2017
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12-20
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