2022年5月20日，北京大學(xué)IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)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(bào)道了團(tuán)隊(duì)在獼猴大腦建立細(xì)胞類(lèi)型特異的病毒標(biāo)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(chǎng)磁共振上獲得的獼猴全腦神經(jīng)纖維連接圖譜進(jìn)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(jí)功能的基礎(chǔ)，可為腦疾病的診斷和治療提供精確的標(biāo)記和干預(yù)靶點(diǎn)，亦可為類(lèi)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(dòng)物大腦的神經(jīng)環(huán)路已被科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)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(qiáng)團(tuán)隊(duì)緊密合作，在獼猴大腦測(cè)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(kāi)展長(zhǎng)程軸突示蹤標(biāo)記（圖1 所示）。傳統(tǒng)的組織切片光學(xué)成像往往伴隨嚴(yán)重的組織形變，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的三維重建。近年來(lái)蓬勃發(fā)展的大尺度三維介觀光學(xué)成像比如華中科技大學(xué)駱清銘和龔輝教授團(tuán)隊(duì)研創(chuàng)的MOST技術(shù)，都具有高通量自動(dòng)化的特性，突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，已經(jīng)在嚙齒類(lèi)動(dòng)物上完美實(shí)現(xiàn)了全腦介觀成像。


圖1 猴腦腹外側(cè)前額葉AAV病毒標(biāo)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(jí)認(rèn)知功能。王征實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(luò)特征可用于指導(dǎo)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(duì)全面解析其在腦認(rèn)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(dòng)子CaMKIIα及融合報(bào)告基因Tau-GFP來(lái)選擇性標(biāo)記興奮性軸突，采用連續(xù)光學(xué)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(shí)投射到顳葉、邊緣系統(tǒng)、腦島、頂葉和部分皮下核團(tuán)。

擴(kuò)散磁共振成像（diffusion MRI）主要利用水分子微觀擴(kuò)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(yīng)用于動(dòng)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(yàn)證，所重建的大腦神經(jīng)連接圖譜引發(fā)了諸多爭(zhēng)議（Science，2012），也限制了該技術(shù)在臨床中的推廣應(yīng)用。王征課題組對(duì)11.7T超高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)的軟件序列和離體猴腦的成像方法進(jìn)行優(yōu)化后，可獲得高達(dá)200×200×200μm的擴(kuò)散磁共振影像數(shù)據(jù)，將其與病毒標(biāo)記軸突熒光圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)猴腦空間（圖2B，Cereb Cortex, 2021），以病毒標(biāo)記注射的位點(diǎn)作為種子區(qū)域進(jìn)行神經(jīng)纖維追蹤（圖2C），隨后在同一個(gè)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(yàn)證擴(kuò)散磁共振成像技術(shù)提供了新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)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(dá)枕葉的神經(jīng)纖維束。早在1909年哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)助理Curran解剖人腦白質(zhì)纖維時(shí)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(méi)有定論。研究團(tuán)隊(duì)先利用擴(kuò)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(biāo)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(kuò)散磁共振成像技術(shù)觀測(cè)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(zhēng)議問(wèn)題提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此外，本研究也為開(kāi)展獼猴介觀神經(jīng)連接圖譜研究開(kāi)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(chǎng)磁共振成像與病毒示蹤標(biāo)記

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）鄢明超博士和復(fù)旦大學(xué)類(lèi)腦智能科學(xué)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(chǎng)磁共振影像數(shù)據(jù)在復(fù)旦大學(xué)張江國(guó)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(shí)與浙江工業(yè)大學(xué)馮遠(yuǎn)靜教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐富強(qiáng)研究員緊密合作，得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”，國(guó)家自然科學(xué)基金委，中國(guó)科學(xué)院，上海市，廣東省及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。本項(xiàng)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