5月22日，《自然-神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）在線發(fā)表了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心嚴(yán)軍研究組撰寫的題為Single neuron analysis of dendrites and axons reveals the network organization in mouse prefrontal cortex的研究論文。該研究通過重構(gòu)和分析小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元的樹突和軸突完整形態(tài)，全面刻畫了前額葉皮層投射神經(jīng)元樹突的多樣性和形態(tài)類型，揭示了神經(jīng)元樹突形態(tài)與軸突投射的關(guān)系，進(jìn)而重構(gòu)了前額葉皮層投射神經(jīng)元類型之間的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)。該工作為探索前額葉皮層的功能提供了重要線索，對(duì)神經(jīng)元計(jì)算建模和啟發(fā)人工智能具有重要意義。

樹突和軸突是神經(jīng)元整合和傳輸信息的基本結(jié)構(gòu)。研究樹突形態(tài)的多樣性及其與軸突投射的關(guān)系，對(duì)于探究神經(jīng)元的信息處理模式具有重要意義。皮層投射神經(jīng)元的樹突具有豐富的形態(tài)，是神經(jīng)元分類的重要特征之一。前人主要通過腦片成像重構(gòu)皮層神經(jīng)元的樹突形態(tài)，往往丟失了神經(jīng)元的三維空間位置，且重構(gòu)的樹突形態(tài)也不完整，難以全面刻畫樹突形態(tài)的多樣性。此外，為了探討樹突形態(tài)與軸突投射的關(guān)系，前人主要通過在下游靶區(qū)注射逆行示蹤劑和腦片重構(gòu)樹突形態(tài)。然而，皮層神經(jīng)元的投射靶區(qū)眾多，利用逆行標(biāo)記的手段需要基于先驗(yàn)知識(shí)獲得靶區(qū)信息，無法獲得完整的軸突投射信息。因此，系統(tǒng)研究樹突形態(tài)的多樣性及其與軸突投射的關(guān)系，需要繪制和分析單神經(jīng)元完整的樹突和軸突形態(tài)。此前，嚴(yán)軍研究組、徐寧龍研究組，聯(lián)合華中科技大學(xué)龔輝團(tuán)隊(duì)，率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層6357個(gè)單神經(jīng)元全腦投射圖譜。然而，在單神經(jīng)元水平，樹突形態(tài)與軸突投射關(guān)系尚不清楚。

為了探究這一問題，嚴(yán)軍研究組在此前工作的基礎(chǔ)上重構(gòu)了1920個(gè)神經(jīng)元的樹突形態(tài)（圖1），包括1515個(gè)典型錐體神經(jīng)元樹突和405個(gè)非典型錐體神經(jīng)元樹突。研究通過精細(xì)定量刻畫樹突的形態(tài)和聚類分析，發(fā)現(xiàn)了24種類型的典型錐體神經(jīng)元樹突以及多種非典型錐體神經(jīng)元樹突（圖2）。

進(jìn)一步，科研人員研究了神經(jīng)元樹突形態(tài)和軸突投射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了樹突越復(fù)雜的神經(jīng)元軸突投射越廣泛，且由樹突形態(tài)定義的神經(jīng)元亞型與由軸突投射定義的神經(jīng)元亞型之間有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說明神經(jīng)元在接收信號(hào)和傳遞信號(hào)的模式上具有一致性（圖3A）。在前額葉皮層PL-ACA區(qū)域存在兩類軸突投射不同的PT神經(jīng)元（SCm投射和PCG投射），而它們的樹突形態(tài)存在顯著差異。同時(shí)，研究通過逆行標(biāo)記和膜片鉗記錄發(fā)現(xiàn)這兩類神經(jīng)元在電生理性質(zhì)上也存在顯著差異（圖3B），說明樹突形態(tài)和軸突投射的變化伴隨著神經(jīng)元在功能上的變化。

科研人員利用樹突和軸突的三維空間分布，建立了前額葉皮層不同神經(jīng)元類型之間的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，并分析了在同一個(gè)“皮層柱”內(nèi)、同側(cè)和對(duì)側(cè)“皮層柱”之間和同側(cè)不同“皮層柱”之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接性質(zhì)。該研究發(fā)現(xiàn)了一系列神經(jīng)元類型特異的聯(lián)接模式，揭示了不同神經(jīng)元類型之間的不對(duì)稱聯(lián)接作為皮層淺層到深層的信息流動(dòng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖4）。

該研究通過全面重構(gòu)和分析小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元的樹突和軸突形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了一系列新的樹突類型，通過樹突-軸突聯(lián)合分析，揭示了樹突和軸突形態(tài)的關(guān)系。其中，PT神經(jīng)元的樹突形態(tài)和軸突投射存在一致的變化，并伴隨著電生理性質(zhì)的相應(yīng)變化。該研究利用樹突和軸突的空間分布，建立和分析了前額葉皮層神經(jīng)元類型之間的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)。上述成果為進(jìn)一步研究前額葉皮層功能、神經(jīng)元計(jì)算建模、啟發(fā)人工智能提供了重要線索、奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室的支持。

圖1.神經(jīng)元樹突和軸突形態(tài)的完整重構(gòu)。（A）fMOST原始圖像和單神經(jīng)元重構(gòu)結(jié)果；(B)重構(gòu)的前額葉皮層神經(jīng)元（n=1920）的樹突和軸突；（C）重構(gòu)神經(jīng)元胞體在前額葉皮層亞區(qū)的空間分布。

圖2.前額葉皮層投射神經(jīng)元的樹突形態(tài)類型。（A）24個(gè)典型錐體神經(jīng)元的樹突類型；（B）L2/3非典型錐體神經(jīng)元的樹突類型、L4棘星狀神經(jīng)元的樹突形態(tài)和L6非典型錐體神經(jīng)元的樹突類型。

圖3.典型錐體神經(jīng)元的樹突形態(tài)、軸突投射和電生理性質(zhì)的關(guān)系。（A）典型錐體神經(jīng)元樹突類型與軸突投射類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系；（B）逆行標(biāo)記和膜片鉗記錄示意圖；（C）在注入不同強(qiáng)度的電流時(shí)，SCm投射和PCG投射神經(jīng)元的動(dòng)作電位發(fā)放。

圖4.基于樹突和軸突形態(tài)構(gòu)建和分析前額葉皮層聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)。（A）計(jì)算兩個(gè)神經(jīng)元之間潛在聯(lián)接的示意圖；（B）前額葉皮層不同類型神經(jīng)元之間的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)；（C）同一個(gè)“皮層柱”內(nèi)不同類型神經(jīng)元的聯(lián)接模式；（D）神經(jīng)元類型之間聯(lián)接對(duì)稱性的分析和結(jié)果示意圖。