eLife︱单细胞测序和神经环路分析联合揭示大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制

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撰文︱谢志勇

责编︱王思珍

感觉运动转换（sensorimotor transformation）是将感觉信息转换为运动的神经过程，对大脑启动本能行为至关重要【1】。尽管人们对感觉运动转换的神经环路机制【2】和计算模型【3】已有一定了解，但其潜在的分子遗传编码机制几乎完全未知。

2021年7月28日，北京生命科学研究所的曹鹏课题组和中科院生物物理研究所的王晓群课题组合作，在生命科学著名刊物eLife上在线发表了题为Transcriptomic encoding of sensorimotor transformation in the midbrain的研究论文。该研究以中脑上丘（superior colliculus, SC）这一参与早期感觉运动转换的关键脑区为对象，联用单细胞转录组测序和神经环路功能分析的两种方法，揭示了大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制。研究者首先应用单细胞测序技术鉴定了位于不同层面的上丘神经元的标志基因。其中Cbln2 和Pitx2 基因分别特异地标记了上丘视神经层（optic nerve layer，Op）和中间灰质层层（intermediate gray layer，InG）的谷氨酸能投射神经元。神经环路功能分析进一步表明这两类神经元分别参与了截然不同的两个感觉运动转换过程：依赖于视觉的躲避天敌的本能防御行为和依赖于触觉的捕食猎物的本能行为。

单细胞测序手段首次应用于中脑上丘神经元的分型研究

首先，研究者通过10X Genomics对14892个上丘细胞进行了单细胞转录组测序。根据经典的标志基因，将上丘细胞分为兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞、小胶质细胞、内皮细胞、纤毛细胞和脑膜细胞。然后分别将兴奋性神经元和抑制性神经元进一步划分为9个和10个亚簇。为了解析环路特异性的遗传编码机制，研究者分别在vGlut2-IRES-Cre小鼠上丘的下游脑区LPTN（lateral posterior thalamic nucleus，外侧后下丘脑核）和ZI（zona incerta，未定带）注射AAV2-retro-DIO-EGFP病毒。发现，投射到LPTN和ZI的上丘谷氨酸能神经元分别位于上丘的Op层和InG层。通过对表达EGFP的细胞进行Patch-Seq和单细胞转录组测序，研究者进一步发现了投射至LPTN的上丘Op层神经元、以及投射至ZI的上丘InG层神经元的标志基因。其中Cbln2和Pitx2分别特异性地在这两类神经元中表达。

图1 单细胞测序手段首次应用于中脑上丘神经元的分型研究

（图片引自：Xie Z, et al., eLife 2021）

上丘Cbln2+和Pitx2+神经元是躲避天敌和捕食猎物本能行为所必须的

随后，研究者构建了特异标记Cbln2+神经元的Cbln2-IRES-Cre小鼠，并采用了能够特异标记Pitx2+神经元的Pitx2-Cre小鼠。分别通过在这两种Cre品系的上丘注射AAV-DIO-EGFP-2A-TeNT病毒以特异性地阻断上丘Cbln2+细胞和Pitx2+细胞的突触传递，研究者发现，上丘Op层的Cbln2+细胞是小鼠启动依赖于视觉的躲避天敌本能防御行为所必须的，而上丘InG层的Pitx2+则是依赖于触觉的捕捉猎物本能行为所必须的。

图2 上丘Cbln2+和Pitx2+神经元是躲避天敌和捕食猎物本能行为所必须的

（图片引自：Xie Z, et al., eLife 2021）

上丘Cbln2+和Pitx2+神经元分别编码天敌的视觉信息和猎物的触觉信息

通过在Cbln2-IRES-Cre小鼠上丘Op层和Pitx2-Cre小鼠上丘InG层注射AAV-DIO-GCaMP7病毒并进行光纤记录，研究者发现，上丘Cbln2+细胞对视觉刺激有较强反应，而对胡须触觉刺激无显著反应。上丘Pitx2+细胞对胡须触觉刺激有较强反应，而对视觉刺激无显著反应。提示Cbln2+和Pitx2+上丘神经元可能包含两组不同的神经回路模块。

图3 上丘Cbln2+和Pitx2+神经元分别编码天敌的视觉信息和猎物的触觉信息

（图片引自：Xie Z, et al., eLife 2021）

上丘Cbln2+和Pitx2+神经元接受完全不同的神经输入

通过狂犬病毒示踪（RV tracing）的方法，研究者发现，上丘Cbln2+神经元接受初级视觉皮层以及对侧视网膜的单突触输入，而上丘Pitx2+神经元则接受初级触觉皮层以及介导头面部触觉的三叉神经复合体Pr5等的单突触输入。

图4 上丘Cbln2+和Pitx2+神经元接受完全不同的神经输入

（图片引自：Xie Z, et al., eLife 2021）

上丘Cbln2+和Pitx2+神经元通过不同的神经环路启动本能行为

文章最后，研究者通过对上丘Op层的Cbln2+细胞和InG层的Pitx2+的投射进行追踪，发现这两类细胞有着截然不同的投射脑区。通过在这两类细胞中表达ChR2（光敏感通道蛋白），研究者发现，光激活上丘Op层的Cbln2+细胞在LPTN的投射可以触发小鼠出现类似于躲避天敌的僵直（freezing）行为，而光激活上丘InG层的Pitx2+细胞在ZI的投射则可以促进小鼠的捕食猎物行为。

图5 上丘Cbln2+和Pitx2+神经元通过不同的神经环路启动本能行为

（图片引自：Xie Z, et al., eLife 2021）

图6  上丘神经元通过“阴-阳”环路模块启动逃避天敌和捕食猎物的本能行为

（图片来源：曹鹏实验室）

文章结论与讨论

综上所述，这一研究揭示了中脑上丘参与攻击和防御本能行为的分子遗传编码机制。哺乳类攻击和防御本能行为的神经机制是近年来神经科学研究领域关注的重点之一。对攻击和防御本能行为的研究，可以逐步揭示物种在自然选择过程中大脑如何控制个体的生存斗争（struggle for existence）。更重要的是，这些研究有助于理解大脑中负责生存斗争的神经环路（简称“生存环路”）如何调控情绪状态和参与情绪功能障碍。本文的研究者自2014年至今，一直致力于系统发现哺乳类大脑中的“生存环路”。他们一系列的工作系统地揭示了中脑上丘神经元形成的多条神经环路，它们形成“阴-阳”环路模块，分别控制捕食猎物和逃避天敌的本能行为（图6）【4-7】。而在这一工作中，他们与合作者一起发现了上述重要本能行为关键神经元的分子遗传编码机制，把上丘神经环路的研究推进到了分子层面，对这一领域的前进做出了重要的贡献。审稿人也认为此项研究为后续领域内研究中脑上丘神经环路功能的分子遗传编码机制打下了很好的研究基础，是单细胞测序技术研究大脑神经环路功能的一个典范。  

原文连接：https://elifesciences.org/articles/69825#content

本文通讯作者为北京师范大学吴倩教授、北京生命科学研究所的曹鹏研究员和中科院生物物理研究所的王晓群研究员。曹鹏课题组的博士后谢志勇、王晓群组博士研究生王梦迪和刘泽源、广州生物岛实验室的尚从平研究员是研究论文的共同第一作者。这项研究也得到了北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏实验室的大力支持，罗敏敏实验室自主开发的稀疏标记技术为这项研究提供了很大的支持和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等基金项目的支持。 

往期文章精选【1】Nature︱前沿! GluDs将不同突触前信号转导到不同突触后受体应答的机制

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参考文献（上下滑动查看）  

【1】Pouget A, Snyder LH. 2000. Computational approaches to sensorimotor transformations. Nat Neurosci. 3:1192–1198.

【2】Crochet S, Lee SH, Petersen CCH. 2019. Neural circuits for Goal-Directed sensorimotor transformations. Trends in Neurosciences 42:66–77.

【3】Franklin DW, Wolpert DM. 2011. Computational mechanisms of sensorimotor control. Neuron 72:425–442.

【4】Shang C, Liu Z, Chen Z, Shi Y, Wang Q, Liu S, Li D, Cao P. 2015. BRAIN CIRCUITS. A parvalbumin-positive excitatory visual pathway to trigger fear responses in mice. Science. 348(6242):1472-7.

【5】Shang C, Chen Z, Liu A, Li Y, Zhang J, Qu B, Yan F, Zhang Y, Liu W, Liu Z, Guo X, Li D, Wang Y, Cao P. 2018. Divergent midbrain circuits orchestrate escape and freezing responses to looming stimuli in mice. Nat Commun. 26;9(1):1232.

【6】Shang C, Liu A, Li D, Xie Z, Chen Z, Huang M, Li Y, Wang Y, Shen WL, Cao P. 2019. A subcortical excitatory circuit for sensory-triggered predatory hunting in mice. Nat Neurosci. 22(6):909-920.

【7】Huang M, Li D, Cheng X, Pei Q, Xie Z, Gu H, Zhang X, Chen Z, Liu A, Wang Y, Sun F, Li Y, Zhang J, He M, Xie Y, Zhang F, Qi X, Shang C, Cao P. 2021. The tectonigral pathway regulates appetitive locomotion in predatory hunting in mice. Nat Commun. 12(1):4409.

制版︱王思珍

本文完