Nat Neurosci: fMOST助力构建全球单细胞投射组学数据库

前额叶皮层 (PFC) 是哺乳动物大脑执行学习记忆、注意力、情绪等高级认知功能的执行中心。单个 PFC 神经元的复杂远程轴突投射被认为是其对不同大脑区域的全局和局部多样化调节控制的结构基础。然而，从 TB 级别光学成像数据中对单个 PFC 神经元的远程轴突投影进行大规模映射存在巨大的挑战。

2022年3月中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心严军研究组\徐宁龙研究组\华中科技大学龚辉团队通过Fast Neurite Tracer软件，采用半自动追踪过程，可对fMOST技术采集到的图像数据实现高速精确追踪，构建单细胞投射组学数据库。

1

单细胞神经元投射组学特征

骆清铭院士团队利用荧光显微光学切片断层成像系统(fMOST)采集161 个稀疏标记的小鼠大脑组织图像，捕获PFC 区域6357 个单个投射神经元的轴突形态，这些轴突的总长度为783.27米。

皮层投射神经元主要分为端脑内侧束(intratelencephalic，IT)和锥体束(pyramidal tract，PT)神经元、皮层-丘脑束（corticothalamic，CT）。

其中IT神经元广泛分布于第2/3至第6层，PT神经元位于第5层，CT神经元位于第5和第6层。单细胞投射组学结果表明这些投射神经元具有64个亚型(IT具有44个亚型，PT具有12个亚型，CT具有8个亚型)。

PFC区域 IT神经元（1到44亚型）主要投射到基底外侧杏仁核、背腹侧纹状体、苍白球等脑区。皮层功能连接网络根据空间位置可分为内侧、外侧、中央和前额叶四个子网络。这四个子网络均接受来自于同侧PFC区域IT神经元投射，IT神经元也进一步细分为4个亚型对应这些子网络。

PFC区域 CT神经元（45到52亚型）47和49亚型投射到丘脑腹侧区域，调控运动功能，48亚型投射到丘脑前部和外侧区域，调控视觉功能，51和52亚型投射到丘脑内侧和中间区域，调控工作记忆。

PFC 区域PT神经元（53到64亚型）是主要的输出神经元，广泛投射到运动、边缘和自主功能的皮层下区域。

图1：PFC 区域6357 个单个投射神经元的轴突形态分型

2

单细胞投射神经元轴突侧支分布特点

根据IT神经元投射到不同子网络，其一级轴突分支也分为4个亚簇。但是，投射到每个子网络的不同皮层区域的IT神经元共享相同的一级轴突侧支。PT神经元的一级轴突形成向脑干延伸的束，细分为5个亚簇，这些不同类型亚簇的轴突侧支依次沿着一级轴突分支，并以有序的方式投射到最近的皮层下区域。IT神经元的一级轴突分支在进入丘脑之前按照中间-侧向的顺序进行分布，进入丘脑后按照前-后的顺序进行分布。

图2：PFC区域单个投射神经元的结构特点

3 转录组学和单细胞投射组学的联系

利用单细胞转录组学数据库发现皮层投射神经元的9个亚型：Lypd1 和 Penk可标记第2/3层IT神经元，Rorb， Deptor和 Nnat可标记第5-6层IT神经元，Npnt 和 Lypd1可标记PT神经元，Nnat 和 Tpbg可标记CT神经元。这些转录组学水平的细胞亚型对投射神经元的亚型具有空间位置偏好性，单个基因标记的细胞亚型可对应多个投射神经元亚群。

图3：转录组学特征与投射组学特征

总结

本文通过开发Fast Neurite Tracer软件对fMOST采集到的巨大数量级的单细胞投射进行快速追踪，揭示了PFC投射神经元的空间投射结构特点。

原始出处：

Gao， L.， Liu， S.， Gou， L. et al. Single-neuron projectome of mouse prefrontal cortex. Nat Neurosci 25， 515–529 (2022). https：//doi.org/10.1038/s41593-022-01041-5.