美國冷泉港實驗室（CSHL）的Anthony M. Zador教授和瑞士巴塞爾大學（University of Basel）的Thomas D. Mrsic-Flogel教授共同領導的一項歷時3年多的跨國研究成果于3月28日公布在頂級學術期刊《Nature》，這篇回答“大腦皮層神經元如何接線溝通”的宏篇之作在神經科學領域投下了一顆巨石，迫使科學家推翻先前假設理論，重新思考大腦皮層各區(qū)之間如何相互交流。
新皮層區(qū)域之間通過復雜龐大的軸突投射網絡相互溝通。然而，由于缺乏技術系統性地在單細胞水平大規(guī)模驗證神經元投射，因此科學界對腦內信息傳輸的邏輯至今仍處于“盲人摸象”階段，并不知道1個神經元僅向1個皮層區(qū)域投射信號，還是向多個區(qū)域投射信號。
從一個信號源到多個靶區(qū)域的3種假想的信息傳輸模式
“如果我們連最開始的信息組合都不清楚，我們根本沒法得知大腦神經元網絡的真實工作方式，”在斯坦福大學做博后研究的Justus Kebschull說。為了解單個神經元的信息傳遞模式，他在Zador實驗室讀研期間參與了新技術的開發(fā)。
研究人員使用了兩種順行結構解析方法：1.基于熒光的全腦軸突追蹤（whole-brain fluorescence-based axonal tracing），這是一種已知的金標準繪圖法，簡稱單神經元追蹤；2.遺傳條形碼標記神經元高通量DNA測序（high-throughput DNA sequencing of genetically barcoded neurons，MAPseq），這是一種較傳統方法更快捷有效的繪圖方法，在MAPseq實驗中，僅通過一次腦內注射，就能給成百上千個神經元打上唯一的隨機RNA序列（條形碼）標記，當條形碼通過軸突傳遞給其他神經元后，再解剖動物大腦，利用高通量條形碼測序讀取條形碼的“新坐標”就能鑒定出與每個被標記的神經元有交流的腦區(qū)。
圖1.基于熒光的全腦軸突追蹤
圖2.遺傳條形碼標記神經元高通量DNA測序（MAPseq）
在今天發(fā)表的這篇《Nature》論文中，研究人員對小鼠主要負責向多個皮層和皮層下靶區(qū)分配視覺信息的初級視覺皮層（primary visual cortex，V1）內神經元進行了系統研究。
研究小組首先采用單神經元追蹤法，通過單細胞電轉GFP質粒標記右視覺皮層layer-2/3細胞。等待3-10天讓GFP表達，然后使用全腦系列雙光子斷層成像在1?×?1?×?10-μm3分辨率觀察標記神經元的軸突投射，以此類推分別觀測了71個神經元。為了評估GFP標記的軸突，他們又電轉了同側紋狀體神經元進行逆行標記。研究人員花費了3年時間，才完成所有標記觀察實驗，結果發(fā)現31個V1神經元投射到了多達7個不同皮層區(qū)域，其中30個神經元投射到了V1外。
隨后，利用MAPseq研究人員僅用3周時間就測繪了591個V1神經元的投射情況。兩種方法都指示大多數V1神經元的投射目標是多個視覺區(qū)域，細胞投射到2個、3個或4個皮質區(qū)的比例大致相同。
“我們的結果表明，皮層內信息傳遞的主要模式不是基于‘1個神經元對應1個靶區(qū)’。相反，單個皮層神經元攜帶的信號可在跨靶區(qū)子集之間共享，從而為多功能途徑服務，”研究人員寫道。
此外，新技術MAPseq不僅速度更快，而且還有能力揭示V1神經元與其他視覺區(qū)的互作模式。約73%神經元符合六種截然不同的投射模式之一。這種架構可能會促進這些區(qū)域的協調活動，從而為形成復雜知覺提供一種連系全腦視覺信息的手段。
Zador實驗室已經開始使用MAPseq在單神經元水平比較健康小鼠和自閉癥模型小鼠的大腦在發(fā)育中是否存在“錯連”。這只是MAPseq潛在應用的一個方面。
“我們發(fā)現標志著‘單個神經元只投射1個皮層區(qū)’的時代已經成為過去，”Kebschull說?！霸浀倪@些想法忽視了大腦的基本結構。未來，人類做實驗的方式將發(fā)生翻天覆地的變化?！?/p>
這篇文章署名排在第一位的是華中科技大學同濟醫(yī)學院、華中科技大學腦科學合作創(chuàng)新中心和巴塞爾大學的神經生物學專家韓蕓耘教授（Yunyun Han），韓教授、Justus M. Kebschull和Robert A. A. Campbell是本文的共同第一作者。
原文標題
The logic of single-cell projections from visual cortex
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