基于fMOST系统构建的高精度乙酰胆碱能神经元全脑图谱在PNAS上发表
2017-12-20
美国时间2017年12月19日，《美国科学院院报》（PNAS）在线发表了题为“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“乙酰胆碱能神经元全脑图谱和基底前脑胆碱能神经元介观投射组”。该研究由华中科技大学骆清铭教授、龚辉教授领衔的VBN团队和中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心的仇子龙研究员课题组合作完成。
研究介绍：大脑中的胆碱能系统通过调节神经元的活动，在调节感觉、运动功能以及认知行为方面起着至关重要的作用。胆碱能神经元的异常与老年痴呆、睡眠及认知障碍等多种神经系统疾病有关，相关机制的研究已成为目前医学与神经科学领域的热点。 研究人员基于骆清铭团队自主研发的全自动显微成像方法——全脑定位系统（Brain-wide Positioning System, BPS），并结合特异性标记荧光蛋白的小鼠模型及病毒标记技术，在单神经元水平解析了胆碱能神经元在全脑定位分布和基底前脑内的精细形态结构, 获取了世界上第一套完整的胆碱能神经元三维全脑分布图谱。 胆碱能神经元的数目、分布及形态结构信息是研究这类神经元功能的关键因素。已有研究显示，其数目和神经退行性疾病有关。以往的研究通常获得的是二维组织切片的图像，只能大致获取神经元的分布和估算神经元的数目；受限于成像方法和标记技术，更加难以获取神经元的完整形态结构信息，因此一直没有精确的胆碱能神经元三维全脑分布图谱的报道。此外，胆碱能神经元可能通过其广泛的长程轴突投射调控皮层和皮层下核团，虽然研究者提出了一些连接模型和假说来描述这类神经环路，但由于缺乏真实直接的完整形态数据，这些模型均无法准确描述胆碱能神经元和其它脑区/神经元的连接关系。
乙酰胆碱能神经元全脑图谱 （A）BPS系统(BioMapping3000)成像示意图。（B）乙酰胆碱能神经元全脑三维分布。（C）乙酰胆碱能神经元主要分布的21个脑区内定量计数。（D）50个基底前脑乙酰胆碱能神经元的完整形态。（E）基于神经元投射连接对胆碱能神经元的分类结果。（F）相邻胆碱能神经元具有不同的投射模式。
龚辉教授阐述了BPS全脑精准成像系统在绘制胆碱能神经元分布图谱上的优势： “前些年，我们首先发展出全脑三维亚微米分辨率成像的显微光学成像技术（对于非荧光标记样本的MOST和对荧光标记样本的 fMOST），我们建立的成像技术不仅可以看到神经元的胞体，还可以看到向神经元输入信息的树突和输出信息的轴突。当然只看到漂亮的神经元的形态结构还不够，我们还要知道每一个神经元到底是在脑内的什么位置，这好比于要知道每一座房子所在地球上的三维坐标是什么，去年我们在《自然-通讯》期刊发表的文章，建立了精准成像技术：同时获得神经元的精细结构和准确位置的精准成像。正是利用这种成像技术以及我们的大数据处理与分析技术，成为完成这项成果的重要技术保障。”
这项研究工作的共同第一作者分别为华中科技大学的李向宁博士与仇子龙组的博士研究生俞彬。同时，得到了美国艾伦脑研究所曾红葵教授的大力帮助。
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