《eLife》| 张江国际脑影像中心与北大等团队合作，利用病毒示踪技术标记猕猴轴突纤维校验扩散磁共振成像

2022年5月20日，复旦大学类脑智能科学与技术研究院张江国际脑影像中心与北京大学王征课题组合作，在国际学术期刊《eLife》在线发表题为“Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography”的研究论文，报道了运用病毒标记示踪和扩散张量磁共振成像两种技术构建猕猴腹外侧前额叶的神经连接图谱，并以猕猴大脑的下额枕束（inferior fronto-occipital fasciculus, IFOF）为例比较了两种神经纤维示踪技术的异同，揭示下额枕束是一条间接、跨突触的神经通路。

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扩散张量磁共振成像（diffusion tensor imaging, DTI）是目前唯一的活体、非侵入式解析大脑神经纤维连接的技术，在脑科学研究和临床应用中都有巨大的发展前景。它主要利用水分子在各种组织细胞中微观扩散运动的各向异性特征，构建矢量模型推断神经纤维束的空间走向。但该技术不能识别脑区间神经纤维投射的方向，也不能区分神经投射的类型如兴奋性或抑制性，而且普遍存在空间分辨率低、信噪比低、几何形变严重、算法模型不易校验等问题，导致神经纤维追踪结果的真实性、准确性及可靠性备受质疑（Science，2012），亟需验证。针对这些问题，研究团队利用复旦大学张江国际脑影像中心配备的国内最强磁场的11.7T超高场磁共振成像系统（梯度强度高达740mT/m），来获取猕猴全脑扩散张量图像数据。经过深度优化离体猴脑成像序列、方法及实验流程，可获得高空间分辨率（200×200×200μm）、高信噪比（SNR>45）、高扩散系数（b = 6000 s/mm2）、无几何形变的DTI图像，用于成功重建猕猴大脑中常见的9种长程神经纤维束 ，如图1 所示。

▲ 图1：猕猴大脑经典长程神经纤维连接通路（根据11.7T超高场DTI图像数据重建）

为了直接验证根据DTI算法模型重建的纤维连接是否可靠，研究团队选用腺病毒（AAV2/9）为载体携带兴奋性启动子CaMKIIα及融合报告基因Tau-GFP来选择性标记兴奋性轴突，随后对被标记绿色荧光的神经纤维直接进行连续光学成像。王征实验室此前在转基因猕猴模型和临床患者上的研究成果揭示了腹外侧前额叶的异常与认知灵活性损伤密切相关（J Neurosci, 2020; Am J Psychiatry, 2021），并且发现腹外侧前额叶的结构与功能网络特征可用于指导改善临床病人抑郁、焦虑症状的治疗方案（J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2021; Mol Psychiatry, 2022）。因此，本实验将AAV2/9病毒注射到猕猴腹外侧前额叶，获得轴突纤维投射后，与扩散张量成像得到的纤维束配准至同一标准猴脑空间进行比较（Cereb Cortex, 2021）。以猴脑的上纵束（superior longitudinal fasciculus, SLF）III为例，结果发现两种不同尺度、不同成像模态所获得的轴突纤维投射具有非常好的重叠（Szymkiewicz-Simpson重叠系数为0.2175～0.2603）。

▲ 图2：猕猴大脑上纵束SLF III的比较：11.7T超高场磁共振成像与病毒示踪标记

下额枕束（inferior fronto-occipital fasciculus, IFOF）是一条从额叶如腹外侧前额叶、眶额叶等区域出发，经外囊到达枕叶的神经纤维束。早在1909年哈佛大学医学院解剖学助理Curran解剖人脑白质纤维时就已发现（J Comp Neurol Psychology, 1909），但猕猴大脑的下额枕束是否存在始终没有定论。研究团队先利用扩散磁共振成像数据重建了下额枕束的投射路径，然后与病毒标记的荧光图像数据相比，发现腹外侧前额叶发出的兴奋性轴突只在前半脑与下额枕束存在较大的重合，随后大部终止于颞上回区域，但下额枕束则继续投射到枕叶部分（图3）。

此结果揭示猕猴腹外侧前额叶与枕叶之间不存在直接的、单突触神经纤维连接，利用扩散磁共振成像技术观测到的下额枕束只可能是一条间接、跨突触的神经通路，为解析领域内的重大争议问题提供了新的实验证据。本研究同时也为开展猕猴介观神经连接图谱研究开辟了一条新的技术路径。

▲ 图3：猕猴大脑下额枕束IFOF的比较：11.7T超高场磁共振成像与病毒示踪标记

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综上，本研究在猕猴大脑建立了细胞类型特异的病毒标记轴突示踪方法，结合双光子成像成功构建了猕猴腹外侧前额叶（ventrolateral prefrontal cortex, vlPFC）的兴奋性轴突全脑三维投射图谱，并与在11.7T超高场磁共振上获得的猕猴全脑神经纤维连接图谱进行比较，发现猕猴前额叶与枕叶之间不存在直接的、单突触神经纤维连接。

复旦大学类脑智能科学与技术研究院俞文文和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）鄢明超博士为该论文共同第一作者，王征研究员为通讯作者。11.7T超高场磁共振影像数据在复旦大学类脑研究院张江国际脑影像中心完成采集，期间王鹤和张孝勇青年研究员给予了悉心指导。

本项目得到了科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”，国家自然科学基金委，中国科学院，上海市，广东省及北大-清华生命科学联合中心的资助。本项目所有猕猴的脑影像数据可完全自由共享给感兴趣的同行研究者。

参考文献

1. Yan MC et al., Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography, eLife, 2022, online.

2.  Wedeen et al., The geometric structure of the brain fiber pathways, Science, 2012, 335:1628-1633. [Catani et al., Comment on “The geometric structure of the brain fiber pathways”, Science, 2012, 337: 1605-1606]

3. Cai DC et al., MECP2 duplication causes aberrant GABA pathways, circuits and behaviors in transgenic monkeys: neural mappings to patients with autism, Journal of Neuroscience, 2020, 40(19): 3799-3814.

4. Zhan YF et al., Diagnostic classification for human autism and obsessive-compulsive disorder based on machine learning from a primate genetic model, American Journal of Psychiatry, 2021, 178(1): 65-76.

5. Zhang CC et al., Anterior limb of the internal capsule tractography: relationship with capsulotomy outcomes in obsessive-compulsive disorder, Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry, 2021, 92(6): 637-644.

6. Chen XY et al., Common and differential connectivity profiles of deep brain stimulation and capsulotomy in refractory obsessive-compulsive disorder. Molecular Psychiatry, 2022, 27(2): 1020-1030.

7. Lv QM et al., Normative analysis of individual brain differences based on a population MRI-based atlas of cynomolgus macaques, Cerebral Cortex, 2021, 31(1): 341-355.

8. Curran EJ, A new association fiber tract in the cerebrum with remarks on the fiber tract dissection method of studying the brain, Journal of Comparative Neurology and Psychology, 1909, 19(6): 645-656.

原文链接：

https://doi.org/10.7554/eLife.72534

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张江国际脑影像中心简介

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▲张江国际脑影像中心外景

▲张江国际脑影像中心操作间

▲Terra 7T超高场人体磁共振系统

▲小动物11.7T Bruker Biospec高场磁共振系统

▲Prisma 3.0T 临床科研磁共振系统

复旦张江国际脑影像中心（ZIC），即复旦大学类脑智能科学与技术研究院（ISTBI）下设的综合生物医学影像中心，于2016年投入建设，由复旦大学与上海市全球科创中心市级重大专项共同投入4亿元支持共建，致力于在中国上海打造亚太地区最大的世界级影像技术实验平台。

中心以脑测量为基础，建立同时具备超高空间与时间分辨率，能够解析精细脑结构与功能的无创扫描硬件系统中心，目前拥有世界上最先进、亚洲规模最大的超高端科研型磁共振系统。其中包括一台超高场人体磁共振Terra 7T、一台人类脑连接组计划定制的超高梯度场强3T Connectome、三台临床型高端3T磁共振系统、一台11.7T超高场小动物磁共振系统以及一系列近红外光、脑电、脑磁图等实时脑功能监测系统，搭配直流电刺激、经颅磁刺激、超声脑刺激等神经调控系统，涵盖从动物到人体全套磁共振成像设备系统。

ZIC致力于开发高级成像技术和多模态脑定量技术，探究脑功能、脑结构、代谢、电生理、电化学等信号，揭示脑信息生成与处理机制，探究生物体在生命周期中脑的发育与老化过程、以及脑疾病的早筛及预后；建立脑数据采集和预处理的标准，拓展脑与类脑科学基础生物研究，为神经科学与临床诊断提供综合性的高端研究平台。

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