Cell：更大數(shù)據(jù)分析揭示嗅球-皮層的單細(xì)胞水平空間投射奧秘
在大多數(shù)感覺方式中，神經(jīng)元連接反映了行為相關(guān)的刺激特征，例如空間位置、方向和聲音頻率。相比之下，基于數(shù)十個神經(jīng)元重建的嗅覺皮層的普遍觀點是，連接是隨機(jī)的。
美國冷泉港實驗室Dinu F. Albeanu團(tuán)隊使用基于高通量測序的神經(jīng)解剖學(xué)技術(shù)以單細(xì)胞分辨率分析了5，309個小鼠嗅球和30，433個梨狀皮層輸出神經(jīng)元的投影。
對這個更大的數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計分析表明，嗅覺皮層的連接是具有空間結(jié)構(gòu)特性的。沿梨狀皮層前后軸靶向特定位置的單個嗅球神經(jīng)元也投射到匹配的、功能上不同的梨狀外靶標(biāo)。此外，來自靶梨狀基因座的單個神經(jīng)元也投射到相同匹配的梨狀狀外靶標(biāo)，形成三元電路基序。因此，與其他感官模式一樣，嗅覺信息在處理的早期階段以協(xié)調(diào)的方式傳遞到功能不同的目標(biāo)。
1. 使用神經(jīng)元條形碼映射OB輸出的全腦投影
盡管基于光學(xué)成像的單神經(jīng)元示蹤最近取得了進(jìn)展。由于神經(jīng)過程的廣泛交織，軸突追蹤研究僅重建了數(shù)十個單獨到皮層的投影，這個數(shù)字不足以分析它們在多個目標(biāo)區(qū)域的分支模式的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。作者推斷，大規(guī)模增加映射的單個神經(jīng)元的數(shù)量，以及在單細(xì)胞分辨率下挖掘多個大腦區(qū)域的投影，可能會發(fā)現(xiàn)以前基于有限的單細(xì)胞追蹤數(shù)據(jù)而錯過的投影模式的組織。
為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，該研究團(tuán)隊使用了兩種單神經(jīng)元投影映射技術(shù)（MAPseq）和通過測序解析的條形碼解剖學(xué)技術(shù)（BARseq）?？傮w來說，該研究繪制了5，309個OB輸出神經(jīng)元的投影，相當(dāng)于比以前所有單細(xì)胞連接研究的總和還多兩個數(shù)量級的單個神經(jīng)元投影。
圖1 單個嗅球神經(jīng)元的MAPseq和BARseq投影映射
2. OB預(yù)測與其目標(biāo)的分布顯示結(jié)構(gòu)化相關(guān)性
為了確定預(yù)測的OB統(tǒng)計結(jié)構(gòu)，首先使用 BARseq 根據(jù)其胞體的位置識別二尖瓣和簇狀細(xì)胞。該研究團(tuán)隊將推定的二尖瓣細(xì)胞 (pMC) 定義為在二尖瓣細(xì)胞層具有胞體的細(xì)胞，將推定的簇狀細(xì)胞 (pTC) 定義為在外部叢狀層細(xì)胞?？傊?，單個pMC形成幾個針對多個大腦結(jié)構(gòu)的軸突分支，但這種連接是結(jié)構(gòu)化的，以相關(guān)方式靶向區(qū)域的特定組合。
3. 沿A-P軸的OB-梨狀皮層連接和梨狀外靶區(qū)域的球共神經(jīng)支配是相互依賴的
APC/PPC 沿 A-P 軸跨度為2.5 mm。單個pMC的軸突廣泛靶向梨狀皮層分支，并共同支配幾個功能上不同的梨狀外靶標(biāo)。為了更好地理解這些投影的邏輯，該研究團(tuán)隊研究了梨狀皮層內(nèi)單個OB神經(jīng)元投影的更精細(xì)的空間模式是否與它們對梨狀外目標(biāo)的共同投影有關(guān)。
為了驗證這一假設(shè)，計算了在采樣的四個梨狀體外區(qū)域中找到的每個條形碼序列的條件概率。該指標(biāo)描述了球輸出神經(jīng)元軸突共同支配其他四個梨狀外球主要目標(biāo)的速率（投射強(qiáng)度），作為它們支配梨狀皮層中哪個位置的函數(shù)。結(jié)果顯示梨狀外區(qū)域的OB共神經(jīng)支配的分布隨沿梨狀皮層A-P軸的投影位置而系統(tǒng)和特定地變化。
圖2.嗅球pMC投影平鋪在梨狀皮層的A-P軸上，并與梨狀外靶區(qū)的共投射相互依賴
4. 狹而寬的pMC的投射在梨狀皮層的A-P軸上差異平鋪并支配梨狀外球靶區(qū)域的不同結(jié)構(gòu)域
根據(jù)梨狀皮層和梨狀外靶標(biāo)的投影寬度和位置進(jìn)一步的分析并確定了兩個不同的pMC群體，分別為狹義投影（NP）和廣泛投影（BP）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿 A-P 軸的 OB 到梨狀皮層連接與不同細(xì)胞類型兩個二尖瓣細(xì)胞群（NP和BP）之間，以及NP和BP群內(nèi)。因此，梨狀皮層和梨狀外區(qū)域的投影之間的這些系統(tǒng)關(guān)系可能反映了一般的布線原理。
5. 梨狀皮層輸出神經(jīng)元沿A-P軸分布到不同的目標(biāo)區(qū)域
沿梨狀 A-P 軸的球狀投影與其對梨狀外靶標(biāo)的共同支配強(qiáng)度之間的相關(guān)性，以及關(guān)于梨狀內(nèi)不對稱前額-尾部梨狀抑制的報告和梨狀皮層輸出投影中的偏差，提出了下游梨狀皮質(zhì)回路也沿著A-P空間梯度組織的可能性。
為了驗證這一假設(shè)，作者使用MAPseq分析了沿A-P軸跨越5毫米的梨狀皮層輸出神經(jīng)元的投影。結(jié)果發(fā)現(xiàn)投射到不同目標(biāo)大腦區(qū)域的梨狀皮層輸出神經(jīng)元在沿A-P軸的特定位置富集。
圖3. 梨狀皮質(zhì)輸出神經(jīng)元的投影模式沿A-P軸系統(tǒng)組織
6.梨狀皮層輸入和輸出沿 A-P 軸的匹配投影梯度
作者研究了梨狀皮層輸出是否形成讓人聯(lián)想到OB到梨狀皮層輸入的投影梯度。梨狀皮層輸出對AON，lENT和CoA的強(qiáng)度沿其A-P軸變化。這種組織可以實現(xiàn)并行計算和進(jìn)一步的交叉引用，因為嗅覺信息通過直接和間接途徑到達(dá)給定的目標(biāo)大腦區(qū)域。觀察到的梯度通過使用熒光微珠（RetroBeads）的逆行批量標(biāo)記實驗進(jìn)一步支持。
因此，梨狀皮層輸出到不同的大腦區(qū)域形成沿A-P軸的投影梯度，這些梯度遵循APC / PPC中的不同斜率。
圖4. 根據(jù)三元連接基序沿梨狀皮層的A-P軸構(gòu)建的平行嗅覺處理流的示意圖
總 結(jié)
該研究團(tuán)隊使用具有單細(xì)胞分辨率的基于高通量條形碼測序的映射研究了 OB 和 cortex 的介觀水平連接，確定了多個 OB 到梨狀皮質(zhì)投影梯度，以及梨狀皮質(zhì)輸出中的一組匹配梯度。作者發(fā)現(xiàn) OB 神經(jīng)元的特征組在梨狀皮質(zhì)的 A-P 軸上有差異，并且梨狀皮質(zhì)的輸出相對于它們的梨狀外目標(biāo)沿著其 A-P 軸系統(tǒng)地組織根據(jù)三元連接基序沿梨狀皮質(zhì) A-P 軸構(gòu)造的平行嗅覺處理流的示意圖靶向梨狀皮質(zhì)前部的OB輸出神經(jīng)元也可能投射到AON；目標(biāo)梨狀基因集中的神經(jīng)元也通過投射到 AON 來完成三聯(lián)征。
相同的三元組織在梨狀皮質(zhì)內(nèi)沿其A-P軸的不同位置復(fù)制到其他目標(biāo)區(qū)域，例如杏仁核 (CoA) 和外側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)（lENT）。作者建議沿著梨狀皮質(zhì)的 A-P 軸識別的三元回路基序構(gòu)成了并行的基礎(chǔ)，功能上不同的嗅覺處理流。該研究結(jié)果表明存在空間結(jié)構(gòu)連接，無論是在 OB 和梨狀皮質(zhì)目標(biāo)區(qū)域的非隨機(jī)組合水平上，還是在更精細(xì)的分辨率下，在梨狀皮質(zhì)內(nèi)。
此外，匹配的輸入輸出梨狀投影梯度使三元電路圖案能夠連接梨狀皮質(zhì)內(nèi)的特定位置和具有不同行為角色的額外梨狀球目標(biāo)。這與APC/PPC之間的解剖學(xué)和功能差異一致，并讓人聯(lián)想到其他感覺方式和邊緣系統(tǒng)。
該研究結(jié)果還挑戰(zhàn)了嗅覺皮層連接是一個白板網(wǎng)絡(luò)的普遍觀點。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.038
參考文獻(xiàn)
Chen Y, Chen X, Baserdem B, Zhan H, Li Y, Davis MB, Kebschull JM, Zador AM, Koulakov AA, Albeanu DF. High-throughput sequencing of single neuron projections reveals spatial organization in the olfactory cortex. Cell. 2022 Oct 27;185(22):4117-4134.e28. doi: 10.1016/j.cell.2022.09.038. PMID: 36306734.
編譯作者：Amy Yao（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
Cell：更大數(shù)據(jù)分析揭示嗅球-皮層的單細(xì)胞水平空間投射奧秘的評論 (共 條)
你需要登录后才可以评论。