紋狀體是基底神經(jīng)節(jié)的主要輸入核,是多巴胺獎賞信號與皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路的主要神經(jīng)接口。紋狀體對于信息處理依賴特定的神經(jīng)回路。其中,中型多棘神經(jīng)元 (MSNs) 占紋狀體神經(jīng)元中的絕大多數(shù),傳統(tǒng)主要分為直接路徑D1型和間接路徑D2型。但是這個大致的劃分沒有辦法解釋紋狀體神經(jīng)回路和功能的多樣性。尤其是靈長類動物的紋狀體結(jié)構(gòu)和功能比較復(fù)雜。MSN的多樣性和分布不清楚。了解特定細(xì)胞型的神經(jīng)回路對于理解紋狀體和基底神經(jīng)節(jié)對于運(yùn)動控制,獎賞學(xué)習(xí)機(jī)制,以及帕金森病的機(jī)制至關(guān)重要。
2021年11月1日,匹茲堡大學(xué)William Stauffer課題組和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Andreas Pfenning課題組合作(何靜博士和Michael Kleyman為共同一作)在Current Biology上發(fā)表了文章Transcriptional and anatomical diversity of medium spiny neurons in the primate striatum使用單細(xì)胞核RNA測序法(snRNA-seq)和熒光原位雜交 (FISH) 來研究MSNs的轉(zhuǎn)錄和解剖學(xué)多樣性【1】。
他們發(fā)現(xiàn)至少有9種MSN亞型(圖1),包括與背側(cè)紋狀體 (dorsal striatum, DS) 亞型相關(guān)的紋體 (striosome) 和基質(zhì)區(qū)室 (matrix compartments)、與腹側(cè)紋狀體 (ventral striatum, VS) 亞型相關(guān)的伏隔核殼 (nucleus accumbens shell) 和嗅結(jié)節(jié) (olfactory tubercle),以及局限于腹側(cè)紋狀體富含 μ-opioid 受體島(μ-opioid receptor islands)。盡管每種亞型以基因表達(dá)的不連續(xù)性來劃分,但亞型內(nèi)的連續(xù)梯度變化與解剖位置和潛在功能相互對應(yīng)。這些結(jié)果為實(shí)現(xiàn)靈長類紋狀體中對特定細(xì)胞類型的操作奠定了基礎(chǔ),也為研究特定神經(jīng)回路的信息處理提供了藍(lán)圖。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程和靈長類紋狀體的亞型和原型分布
為了研究非人類靈長類 (non-human primate, NHP) 紋狀體的細(xì)胞類型結(jié)構(gòu),他們從兩只猴的冠狀切片中解剖了尾狀核 (Cd)、殼核 (Pt) 和VS,進(jìn)行了snRNA-seq,并根據(jù)其基因表達(dá)對核譜進(jìn)行了類聚。與之前研究一致,他們發(fā)現(xiàn)了D1-和D2-MSN在紋狀體中相對均勻的分布。他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元包含大約85% MSN和15%中間神經(jīng)元 (inter neuron);中間神經(jīng)元的比例比嚙齒動物紋狀體的比列更高,但與人類一致。在確定了主要細(xì)胞類別的標(biāo)記物表達(dá)水平之后, 何博士團(tuán)隊(duì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的挖掘和探索。為了識別MSN亞型,何博士團(tuán)隊(duì)重新計(jì)算了主成分分析(PCA)并對分離的MSN進(jìn)行了降維,以物理上分離的UMAP集合對它們進(jìn)行了類聚,并使用FISH探針對照先前描述的和新的標(biāo)記基因?qū)λ鼈冞M(jìn)行了注釋。
他們的結(jié)果顯示,DS含有五種不同的MSN亞型,包括紋體和基質(zhì)區(qū)室的D1-和D2-MSN亞型,以及包含D1和D2受體的雜交細(xì)胞類型。這些雜交細(xì)胞與嚙齒動物中描述的新型MSN類型 (D1H或eccentric-SPN) 類似【2,3】。而VS至少包含四種不同的亞型,有特異性位于NAc外殼和OT區(qū)域的D1-和D2-MSN亞型,以及與“界面島 (interface islands) ”相關(guān)的兩種亞型,即位于紋狀體腹側(cè)邊緣內(nèi)和附近的致密細(xì)胞島。其中一個界面島是Islands of Calleja (ICjs) 。另外一個界面島分布在VS還有少量來自于殼核。這個界面島富集了 μ-opioid 受體。因此何博士和團(tuán)隊(duì)認(rèn)定這些細(xì)胞屬于NUDAPs 【4】。這些NUDAPs是二三十年前科學(xué)家用μ-opioid 受體蛋白染色發(fā)現(xiàn)的,但是沒有人知道這些是什么細(xì)胞。何博士和團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞只表達(dá)D1型受體。他們推測這個可能是享樂熱點(diǎn) (hedonic hotspots,享樂熱點(diǎn)就是當(dāng)鴉片類藥物作用刺激的時候,就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的愉悅感。這種界面島是靈長類動物特有的)【5】。
為了更加深入的分析細(xì)胞亞型之間和之內(nèi)的基因梯度變化,他們進(jìn)行了原型分析 (archetypal analysis) 。原型分析顯示每個亞型之間有大量的不連續(xù)基因表達(dá),但是也會在亞型間和內(nèi)部有梯度基金表達(dá)。他們還開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)了一種靈長類的TAC3標(biāo)記的MSN原型,分布于中間地帶的伏隔核殼。這可能代表了皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路的第三條通路的起源【6】??傊?,這些MSN亞型和原型提供了研究靈長類細(xì)胞類型特異性功能的藍(lán)圖,細(xì)胞類型特異性標(biāo)記基因定義了潛在的分子接入點(diǎn),以使遺傳編碼工具能夠在科學(xué)或翻譯環(huán)境中應(yīng)用。
此文為分析大腦神經(jīng)元種類特別是在靈長類動物中提供了一個漂亮示范。也揭示了靈長類紋狀體和嚙齒動物的差別。繪制神經(jīng)元細(xì)胞種類地圖是近代神經(jīng)科學(xué)的根本。亞型和原型分析對于研究大腦的功能差異性是至關(guān)重要的。近些年的研究開始將細(xì)胞類型理解為分子變化的動態(tài)過程和復(fù)雜分布。簡單的邊界規(guī)劃很少適用于這種動態(tài)的過程,但盡管如此,仍可以使用細(xì)胞分型來對分子上、神經(jīng)生理上和形態(tài)上的模式進(jìn)行觀察和抽象分析。
原文鏈接:
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01369-5
參考文獻(xiàn)
聯(lián)系客服