小鼠皮層單神經(jīng)元投射組的整合分析揭示連接組、轉(zhuǎn)錄組與功能間的聯(lián)系

2026 年 1 月 7 日，國(guó)際頂級(jí)神經(jīng)科學(xué)期刊Neuron以封面文章形式，刊發(fā)了中國(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）嚴(yán)軍研究組的研究論文 ——《Integrative analysis of single-neuron projectomes links connectome, transcriptome, and function in the mouse cortex》。該研究成功繪制出覆蓋小鼠全皮層的單神經(jīng)元軸突投射圖譜，首次系統(tǒng)性揭示了大腦皮層連接組、轉(zhuǎn)錄組與神經(jīng)功能三者間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制。

本研究論文封面由復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院楊喬喬博士獨(dú)立創(chuàng)作繪制。論文共同通訊作者包括中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心嚴(yán)軍研究員、王曉飛研究員、徐春研究員，以及現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院研究員的許曉鴻研究員。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院耳科學(xué)研究所課題組組長(zhǎng)高樂(lè)副研究員為論文第一作者，其此前隸屬于嚴(yán)軍研究員課題組。本研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技創(chuàng)新 2030 重大項(xiàng)目、臨港實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院青年基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃的聯(lián)合資助。

圖1 《Neuron》封面——神經(jīng)元投射構(gòu)成的“心靈之樹(shù)”

主要研究?jī)?nèi)容
研究通過(guò)熒光顯微光學(xué)切片斷層掃描（fMOST）等技術(shù)，識(shí)別出 346 種投射亞型神經(jīng)元，揭示皮層 - 皮層連接的嵌套模塊化組織（7 大核心模塊及內(nèi)部子模塊），并繪制高分辨率皮層層級(jí)圖。圖中可見(jiàn)視覺(jué)區(qū)存在背側(cè) / 腹側(cè)流相關(guān)子模塊，運(yùn)動(dòng)皮層細(xì)分出 3 個(gè)功能特異亞區(qū)。

關(guān)鍵成果包括：發(fā)現(xiàn)單神經(jīng)元軸突終止的 12 種模式，修正傳統(tǒng)前饋 / 反饋通路模型；解析皮層 - 基底神經(jīng)節(jié)、丘腦的精細(xì)投射拓?fù)�，提出皮�?- 丘腦投射新模型；證實(shí)結(jié)構(gòu)連接與鈣活動(dòng)、基因表達(dá)及電生理活動(dòng)高度相關(guān)，PV/SST 神經(jīng)元比例與皮層層級(jí)呈負(fù)相關(guān)。

研究綜合運(yùn)用稀疏標(biāo)記、神經(jīng)突起追蹤（FNT）、t-SNE 降維、層級(jí)聚類(lèi)等方法，結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組與 Neuropixels 電生理記錄，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)整合。相關(guān)數(shù)據(jù)已公開(kāi)，為腦科學(xué)研究提供寶貴資源，助力理解神經(jīng)環(huán)路計(jì)算機(jī)制及相關(guān)疾病病理基礎(chǔ)。在此工作中，嚴(yán)軍團(tuán)隊(duì)共重構(gòu)了近2萬(wàn)個(gè)覆蓋小鼠皮層所有腦區(qū)投射神經(jīng)元的軸突完整形態(tài)，提供了迄今為止最大的小鼠單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)集，揭示了皮層投射神經(jīng)元在皮層內(nèi)聯(lián)結(jié)和皮層下腦區(qū)投射的規(guī)律，并通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)了皮層內(nèi)部聯(lián)結(jié)與轉(zhuǎn)錄組和神經(jīng)元功能之間的密切關(guān)系（圖2）。該研究成果為深入研究皮層的功能提供了重要線(xiàn)索，對(duì)類(lèi)腦計(jì)算和模擬也有重要意義。

圖2 該研究主要結(jié)果的總結(jié)圖

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