利用同步辐射X射线断层扫描技术绘制软体动物大脑功能图谱

2025-02-28 Fri
学术背景神经科学领域一直致力于理解神经回路如何生成和控制复杂行为。尽管简单的模式生物（如软体动物、甲壳类动物和环节动物）因其可访问的神经系统和大型特征性神经元为研究提供了宝贵的模型，但在许多情况下，对神经回路的理解受限于缺乏详细的大脑图谱。特别是对于软体动物，尽管其大脑由形态一致且功能可研究的神经元组成，但其神经系统中的神经元总数、组织原则以及详细的神经元级别图谱仍然不明确。这些问题限制了对神经回路功能的系统性研究。
为了解决这一挑战，本研究利用同步辐射X射线断层扫描技术（Synchrotron X-ray Tomography, SXRT）对软体动物模型Lymnaea stagnalis（一种经典的软体动物模型）的大脑进行高分辨率成像，构建了其摄食回路的详细3D图谱，并基于此图谱指导了关键神经元类型的识别和功能表征。这项研究不仅为理解软体动物的神经回路提供了新的见解，还为其他模式生物的中枢神经系统（CNS）图谱构建提供了一种可推广的方法。
论文来源该研究由Michael Crossley、Anna Simon、Shashidhara Marathe、Christoph Rau、Arnd Roth、Vincenzo Marra和Kevin Staras共同完成，研究团队来自英国萨塞克斯大学（University of Sussex）、伦敦大学学院（University College London）和英国国家同步辐射光源设施（Diamond Light Source）。论文于2025年2月27日发表在PNAS（《美国国家科学院院刊》）上，题为“Functional mapping of the molluscan brain guided by synchrotron x-ray tomography”。
研究流程1. 同步辐射X射线断层扫描成像研究团队首先从成年Lymnaea stagnalis中分离出完整的大脑，并将其固定在树脂中。样本随后被送往英国国家同步辐射光源设施，使用I13-2光束线进行X射线断层扫描成像。通过这种方法，研究团队获得了整个CNS的三维图像堆栈，分辨率足以显示单个神经元的细胞体及其主要神经束的排列。
2. 三维重建与神经元标注为了揭示Lymnaea大脑的三维结构，研究团队选择代表性样本进行图像分割，标注了11个独立神经节及其主要神经束。随后，研究团队专注于摄食回路所在的buccal ganglia（颊神经节），使用半自动分割技术标注了细胞体，构建了颊神经节的完整三维模型。通过这一详细标注，研究团队准确地估算了颊神经节中的神经元总数，发现其含有1,099个神经元，这一数字比之前的估计值高出三倍。
3. 神经元功能表征基于构建的三维图谱，研究团队对关键神经元进行了功能表征。通过细胞内记录和荧光染料填充，研究团队识别并表征了三种关键神经元类型：
- Dine：一种位于颊神经节内部的命令样神经元，能够通过激活大脑中的摄食命令中心来驱动摄食行为。
- N2M：一种位于颊神经节腹侧的双极神经元，在摄食中枢模式生成（CPG）中起关键作用，能够通过电耦合调节运动神经元的活性。
- B12：一种位于颊神经节后侧的运动神经元，仅在摄食行为中被激活，而在排空行为中被抑制。
4. 功能CNS图谱的构建研究团队利用SXRT成像和电生理学数据，构建了Lymnaea的CNS功能图谱，标注了36种主要摄食回路神经元的位置、形态和功能特性。这一图谱为研究社区提供了一个可扩展的资源，能够帮助研究人员更准确地识别和记录特定神经元类型。
主要结果神经元总数与组织结构：研究发现，颊神经节中含有1,099个神经元，比之前的估计值高出三倍。此外，研究揭示了神经元体积与其在神经节中的位置之间的关系：较大的细胞体倾向于位于神经节的背侧表面，而较小的细胞体则位于神经节内部，且随着深度的增加，细胞体体积逐渐减小。
Dine神经元的功能：Dine神经元被识别为一种命令样神经元，能够通过激活大脑中的摄食命令中心来驱动摄食行为。Dine神经元与感觉输入密切相关，能够在检测到食物时启动摄食回路。
N2M神经元的功能：N2M神经元在摄食CPG中起关键作用，能够通过电耦合调节运动神经元的活性。研究还发现，N2M神经元的亚阈值去极化足以驱动运动神经元的动作电位。
B12神经元的功能：B12神经元仅在摄食行为中被激活，而在排空行为中被抑制。这种行为特异性运动神经元的发现表明，摄食回路中的某些神经元类型在不同行为中的招募方式不同。
功能CNS图谱：研究团队构建了Lymnaea的CNS功能图谱，标注了36种主要摄食回路神经元的位置、形态和功能特性。这一图谱为研究社区提供了一个可扩展的资源，能够帮助研究人员更准确地识别和记录特定神经元类型。
结论与意义该研究利用同步辐射X射线断层扫描技术成功构建了Lymnaea stagnalis大脑的三维图谱，并基于此图谱识别和表征了三种关键神经元类型。这些发现不仅更新了我们对摄食回路功能的理解，还为其他模式生物的CNS图谱构建提供了一种可推广的方法。此外，研究揭示的神经元组织原则为理解大脑设计的进化提供了新的见解。
研究亮点创新的成像技术：研究首次将同步辐射X射线断层扫描技术应用于软体动物大脑的三维成像，为快速构建大规模神经系统的细胞图谱提供了新方法。
神经元总数的修正：研究揭示了颊神经节中含有1,099个神经元，比之前的估计值高出三倍，表明这些结构的复杂性被大大低估。
关键神经元的识别：研究识别并表征了三种关键神经元类型，包括命令样神经元Dine、CPG中间神经元N2M和行为特异性运动神经元B12，更新了我们对摄食回路的理解。
功能CNS图谱的构建：研究团队构建了Lymnaea的CNS功能图谱，为研究社区提供了一个可扩展的资源，能够帮助研究人员更准确地识别和记录特定神经元类型。
其他有价值的信息研究团队还开发了一种基于WebKnossos平台的图像共享系统，允许研究人员快速浏览和注释三维图像堆栈，进一步促进了脑图谱的共享和比较研究。此外，研究揭示的神经元组织原则为理解大脑设计的进化提供了新的见解，表明神经元体积与其在神经节中的位置之间的关系可能具有操作优势，能够最小化布线长度和大脑体积。