Neuron:最新下丘脑室旁核(PVH)催产素神经元单细胞全脑投射图谱

2024-02-01

前言

骆清铭院士和龚辉教授带领MOST团队发明的显微光学切片断层成像系列技术(MOST/fMOST)作为介观尺度最精准的三维完整器官成像技术,已在神经机制、脑疾病、心脑血管疾病以及药理毒理等科学前沿领域研究中发挥重要作用,并带动了相关标记技术和大数据处理和解析技术的发展。

 

文章题目:Single-neuron projectomes of mouse paraventricular hypothalamic nucleus oxytocin neurons reveal mutually exclusive projection patterns

发表时间:2024年1月29日

发表期刊: Neuron

研究团队:北京大学生命科学学院黎胡明珠、华中科技大学苏州脑空间信息研究院江涛是论文的共同第一作者;北京大学于翔教授、华中科技大学李安安教授、西湖实验室边文杰研究员为论文的共同通讯作者

 

催产素是九个氨基酸组成的环状神经肽,由大脑中的神经细胞合成、分泌。其最早被报道的作用是促进分娩和泌乳,主要由垂体分泌至外周循环的催产素完成。进一步研究发现催产素还参与维持机体代谢平衡和内稳态,并调控社交行为、学习与记忆、奖赏等复杂行为。关于催产素的研究已经持续百年,但其多样功能的结构基础仍不清楚。一个关键问题是,催产素神经元如何将催产素分泌至各个脑区及外周组织,从而实现特定功能的调控。

前人研究表明大脑中产生催产素的神经元主要分布在14个脑区中,其中下丘脑室旁核(paraventricular hypothalamic nucleus, PVH)拥有数量最多且投射最为复杂的催产素神经元。因此,对于室旁核催产素神经元投射的形态解析对理解其功能多样性至关重要。室旁核包含两类传统方法定义的催产素神经元类群:大细胞催产素神经元被认为拥有复杂的轴突结构并参与中枢和外周的调控,小细胞催产素神经元主要参与中枢自主神经调控(图1)。然而群体示踪的方法无法精细区分两类神经元的投射图谱,也无法揭示每一类群中是否存在进一步的功能与形态异质性。系统性重构单神经元形态为解答这一问题提供了可能。

 

2024年1月29日北京大学于翔团队与合作者在 Neuron 期刊发表了题为“Single-neuron projectomes of mouse paraventricular hypothalamic nucleus oxytocin neurons reveal mutually exclusive projection patterns”的研究论文,在单细胞水平揭示了下丘脑室旁核催产素神经元的完整形态。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心与上海科技大学联合培养,目前就职于北京大学生科院的黎胡明珠博士为第一作者。

 

图1:(左)根据传统分类与群体示踪的大细胞催产素神经元(magnocellular)与小细胞催产素神经元(parvocellular)分类。(右)基于系统性重构单神经元形态提出的室旁核催产素神经元C1与C2分类

 

该研究首先构建了病毒载体rAAV-EF1α-DIO-YPet-p2A-mGFP,在Oxytocin-ires-Cre小鼠中实现了室旁核催产素神经元的稀疏高亮标记。通过荧光显微光学切片断层成像(fluorescence micro-optical sectioning tomography, fMOST)对稀疏标记样本进行全脑成像,用Fast Neurite Tracer进行形态追踪,重构了264个室旁核催产素神经元的完整三维形态,从而绘制了亚微米分辨率下的单神经元全脑投射图谱。进一步通过层级聚类和投射靶点相关性分析,揭示室旁核催产素神经元包含两类投射模式互斥的类群。其中,C1类包括177个神经元,轴突较短且终止于正中隆起(连接下丘脑与垂体的脑区),仅有少量分支分布于下丘脑区域,且对其他脑区几乎没有投射(图2,红色);C2类包括87个神经元,其轴突广泛投射至除正中隆起之外的两百余个脑区,涵盖新皮质、嗅区、海马结构、皮质板下层、纹状体、苍白球、丘脑、下丘脑、中脑、脑干、脑桥、延髓、小脑和纤维束(图2,绿色)。每一类群又可进一步分为投射模式不同的三个亚类。此外,还发现室旁核催产素神经元,特别是C2类神经元的树突形态复杂并可延伸至室旁核以外,而C1类神经元的树突则较简单且分布在胞体附近,两类神经元胞体位置有一定偏好,并具有独特的转录特征与分子标志

 

图2:小鼠下丘脑室旁核催产素神经元根据单神经元投射图谱可分为C1类(红色)和C2类(绿色)

 

C1类和C2类神经元及其亚类在投射模式上的高度异质性,表明各亚类神经元可能分别执行了催产素的不同生理功能:(1)正中隆起—垂体后叶是催产素向外周分泌的重要途径,因此C1类神经元应主要负责通过神经内分泌调控外周生理活动,同时其在下丘脑的投射分支可能参与中枢自主神经调控;(2)C2类1亚型(C2-1)神经元投射至脑干多个区域,可能参与自主神经调控、介导躯体感觉以及伤痛感觉的调控;(3)C2-2 和 C2-3亚型神经元拥有复杂且精细轴突分支,全脑广泛投射,除了涵盖C2-1亚型神经元的功能之外,很可能介导社会识别、亲社会行为、学习与记忆、奖赏行为及厌恶行为等高级脑功能;(4)脑室周围存在C2类神经元轴突分布,提示其分泌的催产素可能是脑脊液中催产素的重要来源之一;(5)对催产素神经元树突的重构发现其分支延伸至室旁核周围核团中,可能具有整合信号输入及通过催产素的树突释放调控周围脑区的作用(图3)。

 

图3:(A, B) 室旁核催产素神经元各亚类的单神经元投射图谱。(C) C1类与C2类神经元具有截然不同的投射模式。(D) C2类神经元轴突投射至脑室附近区域。

 

综上,该研究对室旁核催产素神经元进行全方位的、单细胞精度的胞体、树突和轴突形态学分析,为进一步理解催产素神经元调控复杂生理功能提供了详实的结构基础。两类神经元分子标记物的鉴定,为后续特异性的分子、环路操作和功能探索奠定了基础。该项工作从单细胞水平,更新了人们长久以来对于室旁核催产素神经元形态结构的认知,并将为后续研究提供重要的参考。

 

该研究工作是多团队联合攻关的成果。中科院脑科学与智能技术卓越创新中心和上海科技大学博士毕业生,现北京大学生命科学学院研究助理黎胡明珠是该论文的第一作者。华中科技大学苏州脑空间信息研究院江涛是论文的共同第一作者。北京大学于翔教授、华中科技大学李安安教授、西湖实验室边文杰研究员为论文的共同通讯作者。华中科技大学骆清铭、龚辉与李安安团队,中科院遗传与发育研究所吴青峰课题组,中科院脑科学与智能技术卓越创新中心严军与许晓鸿课题组及全脑介观神经联接图谱平台中心对该研究做出了重要贡献。

 

原文链接:https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)01010-3

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