2022年5月20日，北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、心理與認知科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心王征課題組，在《eLife》在線發(fā)表題為“Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography”的研究論文，報道了團隊在獼猴大腦建立細胞類型特異的病毒標記方法，結(jié)合雙光子成像成功構(gòu)建了獼猴腹外側(cè)前額葉（ventrolateral prefrontal cortex, vlPFC）的興奮性軸突全腦三維投射圖譜，并與在11.7T超高場磁共振上獲得的獼猴全腦神經(jīng)纖維連接圖譜進行比較，發(fā)現(xiàn)獼猴前額葉與枕葉之間不存在直接的、單突觸神經(jīng)纖維連接通路。
神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)解析是理解大腦高級功能的基礎(chǔ)，可為腦疾病的診斷和治療提供精確的標記和干預靶點，亦可為類腦智能技術(shù)提供創(chuàng)新架構(gòu)和技術(shù)模擬的連接基礎(chǔ)。介觀層面重建模式動物大腦的神經(jīng)環(huán)路已被科技創(chuàng)新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目列為重要研究方向。自2015年起，王征課題組與中科院徐富強團隊緊密合作，在獼猴大腦測試了多種病毒載體包括腺相關(guān)病毒（adeno-associated virus, AAV）、水泡口咽病毒（Vesicular stomatitis virus, VSV）和慢病毒（lentivirus），發(fā)現(xiàn)AAV病毒更適合在獼腦上開展長程軸突示蹤標記（圖1 所示）。傳統(tǒng)的組織切片光學成像往往伴隨嚴重的組織形變，難以實現(xiàn)大范圍的三維重建。近年來蓬勃發(fā)展的大尺度三維介觀光學成像比如華中科技大學駱清銘和龔輝教授團隊研創(chuàng)的MOST技術(shù)，都具有高通量自動化的特性，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，已經(jīng)在嚙齒類動物上完美實現(xiàn)了全腦介觀成像。
圖1 猴腦腹外側(cè)前額葉AAV病毒標記示蹤神經(jīng)軸突投射
獼猴腹外側(cè)前額葉腦區(qū)參與靈活決策、工作記憶等多種高級認知功能。王征實驗室此前在轉(zhuǎn)基因獼猴模型和臨床患者上的研究成果揭示了腹外側(cè)前額葉的異常與認知靈活性損傷密切相關(guān)（J Neurosci, 2020; Am J Psychiatry, 2021），并且發(fā)現(xiàn)腹外側(cè)前額葉的結(jié)構(gòu)與功能網(wǎng)絡特征可用于指導改善臨床病人抑郁、焦慮癥狀的治療方案（J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2021; Mol Psychiatry, 2022）。因此，深入完整地解析腹外側(cè)前額葉的神經(jīng)纖維連接圖譜對全面解析其在腦認知和腦疾病中所扮演的角色至關(guān)重要。本研究在獼猴腹外側(cè)前額葉注射（AAV2/9）為載體攜帶興奮性啟動子CaMKIIα及融合報告基因Tau-GFP來選擇性標記興奮性軸突，采用連續(xù)光學成像構(gòu)建了0.95×0.95×200μm空間分辨率的全腦神經(jīng)纖維投射圖譜（圖2A），發(fā)現(xiàn)興奮性軸突主要連接在前額葉內(nèi)部不同區(qū)域，同時投射到顳葉、邊緣系統(tǒng)、腦島、頂葉和部分皮下核團。
擴散磁共振成像（diffusion MRI）主要利用水分子微觀擴散的各向異性特征建模，以此推斷神經(jīng)纖維束的空間走向，重建全腦結(jié)構(gòu)連接圖譜（tractography），已廣泛應用于動物和人體，是目前唯一的神經(jīng)纖維活體示蹤技術(shù)。但因其精確性和可靠性亟需驗證，所重建的大腦神經(jīng)連接圖譜引發(fā)了諸多爭議（Science，2012），也限制了該技術(shù)在臨床中的推廣應用。王征課題組對11.7T超高場磁共振成像系統(tǒng)的軟件序列和離體猴腦的成像方法進行優(yōu)化后，可獲得高達200×200×200μm的擴散磁共振影像數(shù)據(jù)，將其與病毒標記軸突熒光圖像數(shù)據(jù)配準到標準猴腦空間（圖2B，Cereb Cortex, 2021），以病毒標記注射的位點作為種子區(qū)域進行神經(jīng)纖維追蹤（圖2C），隨后在同一個空間比較兩種不同模態(tài)、尺度的影像數(shù)據(jù)（圖2D）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種成像模態(tài)所得到的神經(jīng)纖維投射具有較高的相關(guān)系數(shù)（皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.4624 ± 0.0922; Dice相關(guān)系數(shù)為0.4312 ± 0.0861），這為驗證擴散磁共振成像技術(shù)提供了新的實驗數(shù)據(jù)，同時也為橋接宏觀與介觀影像數(shù)據(jù)空間建立了可行的技術(shù)方法。
圖2 構(gòu)建獼猴腹外側(cè)前額葉全腦介觀與宏觀連接圖譜的主要流程
下額枕束（inferior fronto-occipital fasciculus, IFOF）是一條從額葉如腹外側(cè)前額葉、眶額葉等區(qū)域出發(fā)，經(jīng)外囊到達枕葉的神經(jīng)纖維束。早在1909年哈佛大學醫(yī)學院解剖學助理Curran解剖人腦白質(zhì)纖維時就已發(fā)現(xiàn)（J Comp Neurol Psychology, 1909），但獼猴大腦的下額枕束是否存在始終沒有定論。研究團隊先利用擴散磁共振成像數(shù)據(jù)重建了下額枕束的投射路徑，然后與病毒標記的熒光圖像數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)腹外側(cè)前額葉發(fā)出的興奮性軸突只在前半腦與下額枕束存在較大的重合，隨后大部終止于顳上回區(qū)域，但下額枕束則繼續(xù)投射到枕葉部分（圖2）。此結(jié)果揭示獼猴腹外側(cè)前額葉與枕葉之間不存在直接的、單突觸神經(jīng)纖維連接，利用擴散磁共振成像技術(shù)觀測到的下額枕束可能是一條間接、跨突觸的神經(jīng)通路，為解析領(lǐng)域內(nèi)的重大爭議問題提供了新的實驗證據(jù)。此外，本研究也為開展獼猴介觀神經(jīng)連接圖譜研究開辟了一條新路徑。
圖3 獼猴大腦下額枕束IFOF的比較：11.7T超高場磁共振成像與病毒示蹤標記
中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）鄢明超博士和復旦大學類腦智能科學與技術(shù)研究院俞文文為該論文共同第一作者，王征研究員為唯一通訊作者。11.7T超高場磁共振影像數(shù)據(jù)在復旦大學張江國際腦影像中心完成采集，期間得到了王鶴青年研究員、張孝勇青年研究員的大力支持和幫助。本課題同時與浙江工業(yè)大學馮遠靜教授團隊、中國科學院深圳先進技術(shù)研究院徐富強研究員緊密合作，得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”，國家自然科學基金委，中國科學院，上海市，廣東省及北大-清華生命科學聯(lián)合中心的資助。本項目所有獼猴的腦影像數(shù)據(jù)可完全自由共享給感興趣的同行研究者。
原文鏈接： https://doi.org/10.7554/eLife.72534
2022-05-21