Neuroscience Bulletin 2021第11期封面文章│探索小脑─丘脑投射的三维空间分布
小脑之“小”，因其仅占10%的全脑总体积。然而小脑又不“小”，全脑神经元数目的70%来自小脑。小脑被人们熟知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如认知、语言和情感等非运动功能。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。“小脑连接体（Cerebellar connectome）”是国际上最新提出协同处理非运动行为的概念。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。现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 thalamicnuclei，VL）、中心外侧核（Centrolateral thalamic nuclei，CL）和腹内侧核（Ventromedial thalamic nuclei，VM），因而进一步探究小脑投射在丘脑核团的空间分布将有助于解析小脑的运动和非运动功能。
Neuroscience Bulletin在2021年第11期以封面文章发表了来自浙江大学沈颖教授研究团队题为“Three-Dimensional Heterogeneity of Cerebellar Interposed Nucleus-Recipient Zones in the Thalamic Nuclei”的研究论文，为理解小脑多样化影响丘脑─皮层网络提供了新证据。
本研究聚焦在DCN中与前脑联系最为紧密的小脑间位核（Cerebellar interposednucleus，IpN）。在小鼠麻醉状态下电刺激IpN，通过在体记录投射核团丘脑VL和CL的诱发场电位（Evoked potential，EP）发现功能性的小脑─丘脑投射只存在于IpN和对侧VL之间，也即在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
接着，通过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2中呈现了这种三维空间分布的异质性。
图2 电刺激IpN诱发VL电位的空间异质性
为了进一步评估IpN-VL的投射强度，研究人员利用跨突触病毒对IpN投射到VL的靶向神经元进行顺行和逆行的神经示踪。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。因此，在体电生理记录和病毒示踪均揭示了IpN投射神经元在丘脑VL的三维空间分布异质性。此外，研究人员还对IpN-VL投射的电生理与病毒示踪数据进行相关性分析（图3）。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EP值与投射神经元数目存在相关性；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存在显著相关性。
图3 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
综上所述，本研究通过采用在体电生理记录及跨突触病毒示踪的实验手段，揭示了小脑IpN─丘脑VL投射存在三维空间异质性，证明了IpN仅与对侧VL形成功能性的联系。本研究为理解小脑多样化影响丘脑皮层网络提供了证据，从功能和结构两方面进一步揭示了小脑-丘脑-大脑皮层回路的结构，对于认识小脑相关的运动和非运动疾病具有重要意义。
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。中国科学家发明的荧光显微光学切片断层扫描术（fMOST）可以在亚细胞分辨率下对大脑进行大规模连续荧光追踪。在这项技术从形态角度阐明各个脑区间联系的同时，需要有进一步的研究证实这些联系是否是功能性的。膜片钳电生理记录是证明神经元功能的重要方法，采用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结构连接的意义。本文沈颖教授研究团队的工作为该领域提供了一个新的研究思路。未来结合fMOST和电生理记录的研究工作可以获得完整的大脑各个脑区间投射的三维功能地图。