小鼠特定眶额皮层神经元输入和输出的全脑图谱

2024-06-02 Sun
小鼠特定眶额皮层神经元输入和输出的全脑图谱小鼠的大脑研究一直是神经科学中的重要课题，尤其是对眶额皮质（orbitofrontal cortex，ORB）的研究。ORB在奖赏处理、决策制定、行为灵活性及情绪调节中扮演着关键角色。近年来，发现ORB的功能障碍常与多种精神和神经系统疾病有关，例如抑郁症、强迫症和物质使用障碍。通过对ORB的研究，科学家们希望更深入地理解其在正常和病理状态下的功能。
本文由中心作者Yijie Zhang、Wen Zhang、Lizhao Wang等撰写，并由其所在的中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、复旦大学脑科学与脑启发智能技术研究中心、华中科技大学苏州脑图学研究院等机构研究人员共同完成。该研究发表于2023年12月的《Neurosci. Bull.》。
研究背景与动机首先，作者指出，ORB的神经元投射到多个脑区，包括大脑皮层、丘脑、杏仁核、纹状体和下丘脑等。不同投射特定的ORB途径在功能上表现出显著差异。例如，ORB投射到次级运动区（MOS）介导学习到的动作-结果关联，而投射到背侧纹状体则在指导以价值变化为基础的行动中起重要作用。
尽管已有研究使用逆行轴突示踪剂检查了ORB的皮层和丘脑传入，但针对投射特定的ORB神经元输入模式仍不清晰。此外，ORB分为多个亚区，如侧眶（ORB-L）、中眶（ORB-M）和腹侧外眶（ORB-VL）。不同亚区的功能异质性已被行为学、药理学、生理学和光遗传学/化学遗传学方法揭示，但对特定ORB亚区靶向的特定抑制性神经元的分布仍需进一步研究。
研究方法与流程研究人员在小鼠脑中进行全脑映射，揭示五种投射特定的ORB神经元的输入，以及两类抑制性神经元收到的ORB输出。
动物模型与病毒注射研究使用成年（2-4个月）雄性小鼠，包括C57BL/6、PV-Cre、SST-Cre以及杂交品系，通过在特定脑区注射病毒追踪神经元连接。手术时，小鼠被麻醉后固定在小动物立体定位仪上，在左侧半球的病毒注射部位进行开颅。
病毒策略研究者们使用逆行单突触示踪技术和顺行跨突触病毒示踪技术，对Visp、VTA、BLA、CP和MOS五个脑区进行了病毒注射。逆行病毒和帮助病毒混合注射，以标记特定投射的ORB神经元并使这些神经元表达特定受体和蛋白，随后注射修饰的狂犬病病毒，感染表达受体的ORB神经元并逆行传播到突触前细胞。
为了确定具体神经元投射的功能连接性，研究人员使用光遗传技术，通过激光刺激特定脑区的轴突终端，记录突触后细胞的电生理响应。
数据分析数据的处理和分析包括切片准备、记录、组织学处理，以及对全脑切片的成像和定量。所有的数据使用定制的软件包进行分析，包括图像注册、信号检测和定量/可视化模块。
在映射的过程中，研究者在切片固定后对其进行50μm厚度的取片，并使用显微镜对其进行成像，最后将图像与Allen小鼠大脑图谱对齐，并对标记的细胞位置进行手动检测和定量。
统计分析实验证据通过进行分析以确定输入和输出的比例。研究中使用了GraphPad Prism进行统计分析，通过重复测量方差分析（ANOVA）和Wilcoxon符号秩检验来确定显著性。
主要研究结果投射特定ORB神经元的全脑输入研究发现，投射特定的ORB神经元来自大脑髓质和丘脑输入占主要部分。不同投射类型的ORB神经元接收到的输入虽然相似，但在某些区域具有定量上的差异。具体而言，MOS投射神经元接收到更多来自MOS的输入，而BLA投射神经元接收到更多来自初级运动皮层的输入。
特定ORB亚区输出到抑制性神经元通过顺行跨突触病毒示踪技术，研究者映射了ORB亚区神经元对PV和SST抑制性神经元的输出。研究表明ORB神经元在许多脑区靶向PV和SST神经元，并在ORB三个亚区之间表现出显著差异。特别是鲵亚区（ORB-M）神经元对SST的投射更为显著，尤其是在感觉区、海马、杏仁核和下丘脑侧区等。
结论和意义通过这一研究，科学家们确定了投射特定的ORB神经元的全脑输入和各ORB亚区的神经元对抑制性神经元的输出。这为未来研究ORB回路的功能组织提供了重要的解剖基础，并对理解其在奖赏关联、学习及灵活行为中的作用具有重要意义。
特别是，研究突出了ORB到特定抑制性神经元的投射在调控神经处理和行为方面可能的功能异质性。例如，ORB对RT中的PV（或SST）神经元形成了直接的单突触兴奋性连接，可能在未来研究中揭示ORB回路在知觉决策行为中的作用。
研究亮点这项研究的亮点包括：
1. 广泛的输入输出映射：揭示五种投射特定的ORB神经元的输入和三类ORB亚区的输出，提供了全面的解剖学数据。
2. 神经元功能连接性验证：通过全脑切片成像和电生理光遗传技术，验证了ORB神经元与特定抑制性神经元的功能连接；
3. 多样化的研究方法：结合病毒示踪、组织学成像、数据分析和光遗传学，提供了全面的研究流程支持。
未来研究方向这项研究为未来深入探讨ORB回路在特定任务和行为中的作用提供了基础。未来研究可以进一步探讨ORB与PV和SST神经元在特定行为中的功能连接性，从而更好地理解ORB在认知功能和病理状态下的作用。
该研究为理解ORB在小鼠大脑中的功能组织提供了丰富的解剖学室内实验证据，具有重要的科学和应用价值。