小鼠海馬區(qū)腦圖譜研究獲新突破，將為研究人腦做鋪墊

2月2日，《科學(xué)》期刊在線發(fā)表了題為《Wholebrain spatial organization of hippocampal singleneuron projectomes》的研究論文。該研究解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律，并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫(kù)。

論文截圖。本文圖均為 中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 供圖

該研究成果由中國(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）領(lǐng)銜，與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、海南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心等多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作完成。

研究員徐春領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的組織優(yōu)勢(shì)，三維重構(gòu)了上萬(wàn)個(gè)小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦投射軸突形態(tài)。這些海馬神經(jīng)元的胞體覆蓋了海馬的各個(gè)亞區(qū)和海馬多維軸向的不同位置，是目前世界上最大的單神經(jīng)元全腦投射圖譜數(shù)據(jù)集。通過(guò)海馬單細(xì)胞投射圖譜的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與分析，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地將軸突投射路徑與機(jī)器識(shí)別算法相結(jié)合，闡述了海馬神經(jīng)元前后軸的軸突投射路徑，為研究海馬投射下游腦區(qū)之間的關(guān)系提供了新的視角，同時(shí)更加有效快捷地分析了小鼠海馬神經(jīng)元的341種主要投射模式的形態(tài)相似性，最終歸納總結(jié)出43種全腦投射細(xì)胞類(lèi)型。

該研究將投射細(xì)胞類(lèi)型與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，鑒定了與不同投射細(xì)胞類(lèi)型空間分布相關(guān)的基因，揭示了全新的海馬神經(jīng)元投射模式以及海馬體內(nèi)外靶區(qū)的協(xié)調(diào)投射規(guī)律，闡明了雙側(cè)大腦投射的新規(guī)律，擴(kuò)展了領(lǐng)域內(nèi)的層狀理論，全面展示了胞體與軸突末梢的空間映射關(guān)系，解析了海馬神經(jīng)元胞體位置與投射模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了海馬單細(xì)胞的空間投射規(guī)律。

這些研究成果為研究海馬神經(jīng)元相關(guān)的功能和疾病提供了環(huán)路和分子基因的靶點(diǎn)，為左右腦半球的信息交流和相互調(diào)節(jié)提供了新的證據(jù)，為研究海馬神經(jīng)元各種腦功能提供了詳實(shí)的投射信息參考，為海馬輸出環(huán)路功能研究提出了海馬神經(jīng)元投射模式的新方向，為海馬參與學(xué)習(xí)記憶、空間認(rèn)知、導(dǎo)航、焦慮、應(yīng)激等多種功能提供新的神經(jīng)環(huán)路理論指導(dǎo)。

該研究構(gòu)建的小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)通過(guò)腦科學(xué)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站公開(kāi)共享（https://mouse.digitalbrain.cn/hipp）。中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心開(kāi)發(fā)了集可視化、交互和分析為一體的工具，并提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

海馬單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律的圖示總結(jié)。本文圖均為 中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 供圖

徐春介紹，該研究最大的難點(diǎn)在于研究團(tuán)隊(duì)大多數(shù)是生物學(xué)背景，但是研究工作中有許多計(jì)算機(jī)偏數(shù)學(xué)的數(shù)據(jù)處理工作，研究團(tuán)隊(duì)只能一邊學(xué)習(xí)一邊推進(jìn)，經(jīng)常坐在一起相互請(qǐng)教，也因此變得更為合作緊密了。

院士蒲慕明指出，在國(guó)際上必須要有中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的大科學(xué)計(jì)劃，這是非常不容易的，持續(xù)發(fā)表一系列具有國(guó)際影響力的腦圖譜成果是發(fā)起大科學(xué)計(jì)劃的必要條件，這次小鼠海馬區(qū)腦圖譜的研究突破，也為更進(jìn)一步研究人腦做出了鋪墊。

該研究的數(shù)據(jù)分析工作由中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心博士研究生邱收領(lǐng)銜，并與胡亞闖、黃奕銘和高淘沙等共同合作完成。中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）研究員徐春、孫衍剛、孫怡迪、姚海珊、臨港實(shí)驗(yàn)室研究員李澄宇和教授華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院龔輝為該論文共同通訊作者。

該研究得到了中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士、海南大學(xué)駱清銘院士、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所徐林研究員、中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心徐寧龍研究員、嚴(yán)軍研究員，中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心腦科學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心的大力支持。

該研究受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”、上海市級(jí)重大專(zhuān)項(xiàng)“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計(jì)劃”、中國(guó)科學(xué)院、基金委、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室重大任務(wù)等項(xiàng)目的支持。