Neurosci Bull︱沈颖团队揭示小脑核团到丘脑投射的三维空间异质性
撰文︱马旷怡，沈颖
责编︱王思珍
小脑（cerebellum）之“小”，因其仅占全脑总体积的10%。其实小脑不“小”，它占据了全脑神经元数目的70%。一直以来，人们认为小脑的主要功能是协调运动，但越来越多的证据表明小脑参与许多非运动功能，如认知、语言和情感。这些功能意味着小脑通过支配前运动中枢和非运动相关脑区而参与皮层的信息处理过程。因此，国际上最新提出“小脑连接体（cerebellar connectome）”协同处理非运动行为的概念【1】。无论是运动还是非运动行为，丘脑复合体（thalamic complex）都是小脑输出的关键中继区，其与大脑皮层存在多种联系，如对侧和/或同侧的运动皮质、运动前皮质、内嗅皮质、前额皮质、听觉皮质、扣带回皮质等。已有证据表明小脑深部核团（deep cerebellar nuclei，DCN）神经元联系到丘脑的多个核团，如腹外侧核（ventrolateral thalamic nuclei，VL）、中心外侧核（centrolateral thalamic nuclei，CL）和腹内侧核（ventromedial thalamic nuclei，VM），而进一步探究小脑投射在丘脑核团的空间分布将有助于进一步解析小脑的运动和非运动功能。
2021年10月5日，在以“Three-dimensional heterogeneity of cerebellar interposed nucleus-recipient zones in the thalamic nuclei”为题在线发表在Neuroscience Bulletin的最新封面论文中，浙江大学的马旷怡（Kuang-Yi Ma，文章一作）、沈颖（Ying Shen，通讯作者）等研究了这个科学问题。研究揭示了小脑IpN─丘脑VL投射存在三维空间异质性，同时IpN仅与对侧VL形成功能性的联系，为理解小脑多样化影响丘脑─皮层网络提供了新证据。
该研究选定了DCN中与前脑联系最为紧密的小脑间位核（cerebellar interposed nucleus，IpN），在小鼠麻醉状态下电刺激IpN，在体记录投射核团丘脑VL和CL的诱发场电位（evoked potential，EP）。结果表明功能性的小脑─丘脑投射只存在于IpN和对侧VL之间：在IpN施加不同强度的电刺激可以在VL记录得到不同响应幅值的EP（图1），在CL不能得到诱发电位。
图1 IpN不同刺激强度可诱发不同响应幅值的VL电位
（图引自：Ma et al., Neurosci Bull 2021）
在体记录IpN-VL投射在下游核团所诱发EP的过程中，作者发现在核团不同位置记录可得到不同的诱发EP（图2B、C）。接着作者团队对下游核团各个亚区的诱发EP进行统计分析，发现IpN-VL投射在VL核团的矢状层面和冠状层面内均存在先前未知的三维空间异质性。统计各亚区指征被激活神经元数量的诱发EP幅值，归一化后以热图形式在图2D、E中呈现了这种三维空间分布的异质性。
（图引自：Ma et al., Neurosci Bull 2021）
为了进一步评估IpN-VL的投射强度，作者利用跨突触病毒AAV1.hSyn.Cre.T2A.eGFP和AAVretro.CMV.bClobin.eGFP分别对IpN投射到VL的靶向神经元进行了顺行及逆行的神经示踪（图3）。同样，对靶向神经元计数的结果也表明IpN-VL投射非均一分布，可以在VL核团AP-1.2冠状层面观察到最集中的IpN-VL投射区域。
图3 IpN-VL投射顺逆行示踪示意图及神经元统计结果
（图引自：Ma et al., Neurosci Bull 2021）
作者得到的在体电生理记录和病毒示踪结果，均揭示IpN投射神经元在丘脑VL的三维空间分布异质性。作者继而对IpN-VL投射的电生理与病毒示踪数据进行了相关性分析（图4）。VL矢状层面的EP幅值与投射神经元数目进行皮尔逊相关分析（Pearson correlation），计算得到两变量间的决定系数（determinant coefficient），证实了EP值与投射神经元数目具有相关性；VL冠状层面的分析同样证明该层面IpN-VL投射的电生理与病毒示踪数据具有显著相关性。
图4 IpN-VL投射的EP幅值与神经元数目在VL不同亚区内的相关分析
（图引自：Ma et al., Neurosci Bull 2021）
图5 工作总结图：IpN-VL投射在的三维空间异质性
（图片引自：Ma et al., Neurosci Bull 2021）
目前，全球脑科学关注的焦点之一是大脑各区域或亚区间如何联系并参与各种行为和相关疾病。2021年9月，中国科技部颁布了“中国脑计划”，其中一项重要工作是绘制一幅完整而详细的大脑连接图。一项引人入胜的技术是在亚细胞分辨率下进行大规模连续荧光追踪和活体成像，为此中国科学家发明了荧光显微光学切片断层扫描术（fMOST）【2】，多个实验室采用该技术并发表了高水平论文。在这项技术从形态角度阐明各个脑区间联系的同时，需要有研究证明这些联系是功能性。正如膜片钳电生理记录一直是证明神经元功能的重要体现，在体神经电生理记录探索和验证脑区间投射的三维空间分布将从功能角度阐明大脑连接。此意义上，沈颖教授团队的工作为该领域提供了一个新的思考方向。未来研究将需要结合fMOST和电生理记录，以获得完整的大脑各个脑区间投射的三维功能地图。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-021-00780-y
第一作者马旷怡（二排右一），第二作者蔡欣雨（四排右二），通讯作者沈颖（前排中间）。
（ 照片提供自：沈颖实验室）
马旷怡和沈颖整体设计研究，马旷怡、蔡欣雨、王新泰、王兆祥等完成研究，马旷怡、封洲燕、沈颖完成数据分析，马旷怡、封洲燕、沈颖完成写作。该研究受国家基金委国家杰青项目、重点国际合作项目、面上项目、科技部重点研发项目等资助。
沈颖，国家杰青，浙江大学求是特聘教授，教育部新世纪优秀人才。主持973项目、国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金人才/重点等项目，发现了影响神经信息传递、整合和功能的多个重要分子和机制，通讯和第一作者论文发表在Nat Neurosci、Neuron、PNAS、J Neurosci等，是Front Cell Neurosci、Sci Rep、Cerebellum、ACN Neuro和Neurochem Int 等杂志的编辑。实验室长期招聘博士后，联系yshen@zju.edu.cn。
【1】J Neurosci︱曹君利课题组揭示前扣带回皮质调控镜像痛的环路机制
【2】Nat Commun︱非人类灵长类（猴狨）自闭症模型揭示人类疾病早期发育的生物学异常
【3】Cell Discovery︱马元武/沈彬团队首次实现大鼠线粒体DNA的精准编辑
【4】Dev Cell︱乳酸促进外周神经损伤修复的B面：轴突长时期乳酸代谢增加会导致氧化应激以及轴突退变
【5】Nat Commun︱选择性抑制小胶质细胞活化有望缓解病理性α-syn传播
【7】Mol Psychiatry︱高天明课题组揭示星形胶质细胞和神经元在突触可塑性和记忆中的不同作用
【9】Sci Transl Med︱项贤媛等揭示大脑免疫细胞疯狂噬糖，助力神经退行性疾病的早期诊断
【9】Mol Cell︱阿尔兹海默病的新机制：Tau蛋白寡聚化诱导RNA结合蛋白HNRNPA2B1核胞转运并介导m6A-RNA修饰增强
参考文献（上下滑动查看）
【1】Sathyanesan A, Zhou J, Scafidi J, Heck DH, Sillitoe RV, Gallo V. Emerging connections between cerebellar development, behaviour and complex brain disorders. Nat Rev Neurosci 2019, 20: 298-313.
【2】Li A, Gong H, Zhang B, Wang Q, Yan C, Wu J, et al. Micro-optical sectioning tomography to obtain a high-resolution atlas of the mouse brain. Science 2010, 330: 1404-1408
制版︱王思珍
本文完