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郭增才课题组在《神经元》(Neuron)发文报道皮层-丘脑功能性连接图谱 Date:2020-07-23 15:13:35.0

2020年7月22日,电子游戏平台电子游戏平台、清华-北大生命科学联合中心、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院郭增才课题组在神经科学领域权威学术期刊《神经元》(Neuron)在线发表题为《绘制顶部皮层到丘脑的功能性连接图谱》(Mapping functional connectivity from the dorsal cortex to the thalamus)的研究论文,构建了研究脑区间功能性连接的高通量方法,绘制了清醒小鼠顶部皮层区域到丘脑的功能性连接图谱,发现了各皮层脑区对丘脑不同区域的因果性影响,确立了皮层-丘脑-皮层通路在大脑信息处理中的重要作用。

新皮层是进化过程中最晚出现的大脑区域,其占据大脑半球表面的绝大部分,是整个机体的最高控制中枢,负责感知觉、工作记忆、决策、运动执行和意识等功能。皮层各区域具有不同的功能,各区域的长程投射构成了复杂的网络,传统上认为该网络负责大脑各种复杂信息的处理。然而皮层也与丘脑各核团形成了复杂的皮层-丘脑-皮层环路,皮层与丘脑如何协同处理信息并不清楚。丘脑核团包含初级丘脑核团和高级丘脑核团,初级丘脑核团主要把外部的感觉信息传递到大脑皮层,高级丘脑核团的功能并不清楚,其活动主要由哪些脑区推动也不清楚。为回答这些问题,研究人员通过搭建高通量的功能性连接研究方法,系统绘制了皮层各功能区的兴奋性输入对丘脑神经活动的影响。

   

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图1 光遗传抑制结合多通道电生理记录示意图

(A)    激光经过振镜扫描系统穿过小鼠透明头骨照射到皮层,同时用64通道电极记录光抑制皮层同侧的丘脑神经元。

(B)    做了透明头骨手术的转基因小鼠顶部皮层区域可以直接被激光照射抑制。十字,激光抑制位点。白色线,皮层分区边界。

样本的丘脑轮廓及电极路径通过刚性形变和位移后比对到艾伦脑研究所的标准脑模型中,重构出电极记录位点在标准坐标框架(Common Coordinate System, CCF)中的坐标。

首先,研究者构建了一种新的系统用以绘制皮层到皮下脑区的功能性连接。该系统结合具有毫秒时间精度的光遗传操控和亚毫秒时间精度的多通道胞外电生理记录,皮层操控具有亚毫米空间精度,丘脑记录具有单神经元精度。为实现高通量的抑制不同的皮层区域,小鼠顶部头骨进行了透明化处理(Guo et al, 2014, Neuron),振镜扫描系统(Galvo scanning system)使激光可以快速重复地照射顶部皮层的34个位点,实现对转基因小鼠(Ai79;Camk2a-tTA;Emx1-Cre)亚毫米皮层区域的可逆性抑制。同时,64通道电极记录几十乃至上百个丘脑神经元的活动变化。通过将电极位置三维重构,研究者准确定位记录的神经元所在位置(图1C),分析了抑制每个皮层区域对丘脑神经元的动态影响过程。

抑制皮层后丘脑的活动很快(10毫秒内)就开始下降,表明皮层对丘脑活动有很强的推动作用,这是对运动皮层和运动丘脑相互作用结果的推广(Guo et al, 2017, Nature)。丘脑活动最初的变化反应了皮层对丘脑的直接影响,研究者将该变化作为皮层-丘脑功能连接强度的量化指标,并依此绘制出皮层各区域到丘脑各核团的功能性连接图谱(部分结果见图2)。依据功能性连接强度将丘脑核团划分成与联合/视觉、体感觉或运动相关核群,其分别集中分布在丘脑背部、外侧和内侧,但其中每个核团都具有自己独特的皮层输入模式。



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                                     图2 部分丘脑核团的皮层功能连接图谱

各个丘脑核团接收不同皮层范围的兴奋性输入,依据其皮层输入进行聚类分析将丘脑核团分为联合/视觉(AMd,   AMv, AV, LP, LD)、体感觉(VPL, Eth, VPM, PO)和运动(VPMpc,   PF, PCN, VAL, CL, VM, MD, SMT)相关核群。

    研究者依据皮层输入模式对核团内的记录位点进行了聚类分析,发现大部分核团中的聚类神经元接收的皮层输入具有空间特异性:核团内腹侧到外背侧接收的输入大体上是从皮层前部逐渐过渡到后部(图3)。在单个神经元尺度上,研究也证实了丘脑中存在部分神经元能够接收多个皮层位点的投射,说明丘脑中存在广泛的信息整合。

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图3 聚类分析核团内皮层输入的空间特异性

(A)   VPM内的两类神经元接收的主要皮层输入有显著差异。上左:VPM在丘脑中位置示意图;上右:光抑制的两个皮层位点示意图,光点颜色与核团中两类神经元对应。下:两类神经元在VPM内的分布。蓝点和黄点为两类神经元的记录位点。

(B)  PO内的两类神经元接收的主要皮层输入有显著差异。上左:PO在丘脑中位置示意图;上右:光抑制的两个皮层位点示意图,光点颜色与核团中两类神经元对应。下:两类神经元在PO内的分布。蓝点和黄点为两类神经元的记录位点。


综上所述,该研究建立了光遗传操控下对大量脑区电生理数据高通量采集、分析和展示的框架,为探究皮层-皮下脑区功能性投射提供了强有力的研究手段。该研究系统绘制了清醒小鼠皮层-丘脑功能性投射图谱,展示了丘脑中复杂而普遍的皮层信息整合,为深入认识皮层与丘脑之间的相互作用夯实了基础,也为皮层-丘脑环路功能研究提供了新的方向。

电子游戏平台电子游戏平台郭增才研究员为本文通讯作者。电子游戏平台电子游戏平台2015级博士生火炎和2014级博士生陈瀚为并列第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金(31871048)和青年千人计划基金的资助。郭增才课题组受到清华-北大生命科学联合中心和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的支持。

原文链接:

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(20)30492-X



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