神经生物学|《Nature》惊世之作，重构大脑认知！

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美国冷泉港实验室（CSHL）的Anthony M. Zador教授和瑞士巴塞尔大学（University of Basel）的Thomas D. Mrsic-Flogel教授共同领导的一项历时3年多的跨国研究成果于3月28日公布在顶级学术期刊《Nature》，这篇回答“大脑皮层神经元如何接线沟通”的宏篇之作在神经科学领域投下了一颗巨石，迫使科学家推翻先前假设理论，重新思考大脑皮层各区之间如何相互交流。

新皮层区域之间通过复杂庞大的轴突投射网络相互沟通。然而，由于缺乏技术系统性地在单细胞水平大规模验证神经元投射，因此科学界对脑内信息传输的逻辑至今仍处于“盲人摸象”阶段，并不知道1个神经元仅向1个皮层区域投射信号，还是向多个区域投射信号。

从一个信号源到多个靶区域的3种假想的信息传输模式

“如果我们连最开始的信息组合都不清楚，我们根本没法得知大脑神经元网络的真实工作方式，”在斯坦福大学做博后研究的Justus Kebschull说。为了解单个神经元的信息传递模式，他在Zador实验室读研期间参与了新技术的开发。

研究人员使用了两种顺行结构解析方法：1.基于荧光的全脑轴突追踪（whole-brain fluorescence-based axonal tracing），这是一种已知的金标准绘图法，简称单神经元追踪；2.遗传条形码标记神经元高通量DNA测序（high-throughput DNA sequencing of genetically barcoded neurons，MAPseq），这是一种较传统方法更快捷有效的绘图方法，在MAPseq实验中，仅通过一次脑内注射，就能给成百上千个神经元打上唯一的随机RNA序列（条形码）标记，当条形码通过轴突传递给其他神经元后，再解剖动物大脑，利用高通量条形码测序读取条形码的“新坐标”就能鉴定出与每个被标记的神经元有交流的脑区。

图1.基于荧光的全脑轴突追踪

图2.遗传条形码标记神经元高通量DNA测序（MAPseq）

在今天发表的这篇《Nature》论文中，研究人员对小鼠主要负责向多个皮层和皮层下靶区分配视觉信息的初级视觉皮层（primary visual cortex，V1）内神经元进行了系统研究。

研究小组首先采用单神经元追踪法，通过单细胞电转GFP质粒标记右视觉皮层layer-2/3细胞。等待3-10天让GFP表达，然后使用全脑系列双光子断层成像在1 × 1 × 10-μm3分辨率观察标记神经元的轴突投射，以此类推分别观测了71个神经元。为了评估GFP标记的轴突，他们又电转了同侧纹状体神经元进行逆行标记。研究人员花费了3年时间，才完成所有标记观察实验，结果发现31个V1神经元投射到了多达7个不同皮层区域，其中30个神经元投射到了V1外。

随后，利用MAPseq研究人员仅用3周时间就测绘了591个V1神经元的投射情况。两种方法都指示大多数V1神经元的投射目标是多个视觉区域，细胞投射到2个、3个或4个皮质区的比例大致相同。

“我们的结果表明，皮层内信息传递的主要模式不是基于‘1个神经元对应1个靶区’。相反，单个皮层神经元携带的信号可在跨靶区子集之间共享，从而为多功能途径服务，”研究人员写道。

此外，新技术MAPseq不仅速度更快，而且还有能力揭示V1神经元与其他视觉区的互作模式。约73%神经元符合六种截然不同的投射模式之一。这种架构可能会促进这些区域的协调活动，从而为形成复杂知觉提供一种连系全脑视觉信息的手段。

Zador实验室已经开始使用MAPseq在单神经元水平比较健康小鼠和自闭症模型小鼠的大脑在发育中是否存在“错连”。这只是MAPseq潜在应用的一个方面。

“我们发现标志着‘单个神经元只投射1个皮层区’的时代已经成为过去，”Kebschull说。“曾经的这些想法忽视了大脑的基本结构。未来，人类做实验的方式将发生翻天覆地的变化。”

这篇文章署名排在第一位的是华中科技大学同济医学院、华中科技大学脑科学合作创新中心和巴塞尔大学的神经生物学专家韩芸耘教授（Yunyun Han），韩教授、Justus M. Kebschull和Robert A. A. Campbell是本文的共同第一作者。

韩芸耘，理学博士, 华中科技大学同济医学院基础医学院神经生物学系教授，博士生导师，入选中组部“青年千人“计划。

1999年于清华大学获生命科学学士学位，2006年在德国马普所-哥廷根大学获神经生物学硕士学位，2011年在瑞士联邦理工学院洛桑分校取得神经生物学博士学位。2012年至2015年在伦敦大学学院和瑞士巴塞尔大学从事博士后研究。2015年入选中组部“青年千人“计划，并加入华中科技大学基础医学院。主要研究神经信号处理和传导的机制，探索神经网络结构和功能的联系。共发表论文9篇，其中作为第一作者在Nature、Neuron、Nat Neurosci等期刊发表论文，单篇最高引用160多次。

主持科研项目：2017.01-2019.12, 国家自然科学基金青年项目, 运用单细胞全脑示踪技术解析小鼠初级视觉皮层（V1）的投射规律（国家自然科学基金委员会，No. 31600847。

原文检索：

The logic of single-cell projections from visual cortex

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