革命性技術！跨國團隊攜手中國科學家打造驚世之作，重構大腦認知疆界！

美國冷泉港實驗室（CSHL）的Anthony M. Zador教授和瑞士巴塞爾大學（University of Basel）的Thomas D. Mrsic-Flogel教授共同領導的一項歷時3年多的跨國研究成果於3月28日公布在頂級學術期刊《Nature》，這篇回答「大腦皮層神經元如何接線溝通」的宏篇之作在神經科學領域投下了一顆巨石，迫使科學家推翻先前假設理論，重新思考大腦皮層各區之間如何相互交流。

新皮層區域之間通過複雜龐大的軸突投射網路相互溝通。然而，由於缺乏技術系統性地在單細胞水平大規模驗證神經元投射，因此科學界對腦內信息傳輸的邏輯至今仍處於「盲人摸象」階段，並不知道1個神經元僅向1個皮層區域投射信號，還是向多個區域投射信號。

從一個信號源到多個靶區域的3種假想的信息傳輸模式

「如果我們連最開始的信息組合都不清楚，我們根本沒法得知大腦神經元網路的真實工作方式，」在斯坦福大學做博後研究的Justus Kebschull說。為了解單個神經元的信息傳遞模式，他在Zador實驗室讀研期間參與了新技術的開發。

研究人員使用了兩種順行結構解析方法：1.基於熒光的全腦軸突追蹤（whole-brain fluorescence-based axonal tracing），這是一種已知的金標準繪圖法，簡稱單神經元追蹤；2.遺傳條形碼標記神經元高通量DNA測序（high-throughput DNA sequencing of genetically barcoded neurons，MAPseq），這是一種較傳統方法更快捷有效的繪圖方法，在MAPseq實驗中，僅通過一次腦內注射，就能給成百上千個神經元打上唯一的隨機RNA序列（條形碼）標記，當條形碼通過軸突傳遞給其他神經元後，再解剖動物大腦，利用高通量條形碼測序讀取條形碼的「新坐標」就能鑒定出與每個被標記的神經元有交流的腦區。

圖1.基於熒光的全腦軸突追蹤

圖2.遺傳條形碼標記神經元高通量DNA測序（MAPseq）

在今天發表的這篇《Nature》論文中，研究人員對小鼠主要負責向多個皮層和皮層下靶區分配視覺信息的初級視覺皮層（primary visual cortex，V1）內神經元進行了系統研究。

研究小組首先採用單神經元追蹤法，通過單細胞電轉GFP質粒標記右視覺皮層layer-2/3細胞。等待3-10天讓GFP表達，然後使用全腦系列雙光子斷層成像在1?×?1?×?10-μm3解析度觀察標記神經元的軸突投射，以此類推分別觀測了71個神經元。為了評估GFP標記的軸突，他們又電轉了同側紋狀體神經元進行逆行標記。研究人員花費了3年時間，才完成所有標記觀察實驗，結果發現31個V1神經元投射到了多達7個不同皮層區域，其中30個神經元投射到了V1外。

隨後，利用MAPseq研究人員僅用3周時間就測繪了591個V1神經元的投射情況。兩種方法都指示大多數V1神經元的投射目標是多個視覺區域，細胞投射到2個、3個或4個皮質區的比例大致相同。

「我們的結果表明，皮層內信息傳遞的主要模式不是基於『1個神經元對應1個靶區』。相反，單個皮層神經元攜帶的信號可在跨靶區子集之間共享，從而為多功能途徑服務，」研究人員寫道。

此外，新技術MAPseq不僅速度更快，而且還有能力揭示V1神經元與其他視覺區的互作模式。約73%神經元符合六種截然不同的投射模式之一。這種架構可能會促進這些區域的協調活動，從而為形成複雜知覺提供一種連繫全腦視覺信息的手段。

Zador實驗室已經開始使用MAPseq在單神經元水平比較健康小鼠和自閉症模型小鼠的大腦在發育中是否存在「錯連」。這只是MAPseq潛在應用的一個方面。

「我們發現標誌著『單個神經元只投射1個皮層區』的時代已經成為過去，」Kebschull說。「曾經的這些想法忽視了大腦的基本結構。未來，人類做實驗的方式將發生翻天覆地的變化。」

這篇文章署名排在第一位的是華中科技大學同濟醫學院、華中科技大學腦科學合作創新中心和巴塞爾大學的神經生物學專家韓芸耘教授（Yunyun Han），韓教授、Justus M. Kebschull和Robert A. A. Campbell是本文的共同第一作者。

原文標題

The logic of single-cell projections from visual cortex

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