科學家解析小鼠海馬單神經元全腦投射規律

2月2日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯合華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、海南大學、中國科學院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心等，在《科學》（Science）上在線發表了題為Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes的研究論文。該研究解析了海馬神經元的空間聯接規律，并建立了小鼠海馬腦區單神經元的全腦介觀投射聯接圖譜的數據庫。

海馬腦區與記憶功能緊密關聯的科學證據最早來自于Henry Molaison的病例研究。為了治療癲癇，病人被切除了海馬和周邊的部分顳葉組織。病人在術后表現為短期記憶嚴重受損，而長期記憶卻不受影響。由此，海馬與學習記憶相關功能的研究拉開了序幕，之后海馬神經元突觸可塑性的研究進一步奠定了海馬腦區在學習記憶功能當中的核心地位。時至今日，科學家對海馬功能的研究已長達近一個世紀。20世紀70年代，John O'Kefee等在大鼠的海馬區內發現了位置細胞，并揭示了海馬在空間信息表征和導航中的重要作用。現今，海馬仍是大腦內研究最廣泛的腦區之一。隨著科學研究的深入，海馬腦區被發現參與多種不同大腦功能，如恐懼記憶、場景認知、記憶泛化、情緒焦慮和社交記憶等。海馬神經元在全腦范圍內的廣泛投射是這些大腦功能的重要基礎。以往多數研究停留在群體神經元標記的水平，而海馬單神經元的多樣化全腦投射模式并不清楚。因此，研究單個海馬神經元的全腦投射模式具有重要的科學意義；鑒定海馬單神經元投射模式的細胞類型，解析海馬腦區內的胞體位置與基因表達和環路功能之間的潛在關系，是探討海馬神經元的實現多種大腦功能的重要基礎。?

腦智卓越中心研究員徐春領銜的研究團隊，發揮團隊攻關的組織優勢，三維重構了上萬個小鼠海馬區單神經元的全腦投射軸突形態。這些海馬神經元的胞體覆蓋了海馬的各個亞區和海馬多維軸向的不同位置，是目前世界上最大的單神經元全腦投射圖譜數據集。通過海馬單細胞投射圖譜的數據庫構建與分析，該團隊開創性地將軸突投射路徑與機器識別算法相結合，闡述了海馬神經元前后軸的軸突投射路徑，為研究海馬投射下游腦區之間的關系提供了新視角，更加有效快捷地分析了小鼠海馬神經元的341種主要投射模式的形態相似性，歸納總結出43種全腦投射細胞類型。?

該研究將投射細胞類型與空間轉錄組數據進行聯合分析，鑒定了與不同投射細胞類型空間分布相關的基因，揭示了全新的海馬神經元投射模式以及海馬體內外靶區的協調投射規律，闡明了雙側大腦投射的新規律，擴展了領域內的層狀理論，展示了胞體與軸突末梢的空間映射關系，解析了海馬神經元胞體位置與投射模式的對應關系，發現了海馬單細胞的空間投射規律。?

上述成果為研究海馬神經元相關的功能和疾病提供了環路和分子基因的靶點，為左右腦半球的信息交流和相互調節提供了新證據，為研究海馬神經元各種腦功能提供了詳實的投射信息參考，為海馬輸出環路功能研究提出了海馬神經元投射模式的新方向，為海馬參與學習記憶、空間認知、導航、焦慮、應激等多種功能提供新的神經環路理論指導。?

該研究構建的小鼠海馬區單神經元的全腦介觀投射圖譜數據庫已通過腦科學門戶網站公開共享（https://mouse.digital-brain.cn/hipp）。中國科學院腦科學數據與計算中心開發了集可視化、交互和分析為一體的工具，并提供數據下載服務。?

研究工作得到國家重點研發計劃、科技創新2030-重大項目“腦科學與類腦研究”、上海市級重大專項“全腦神經聯接圖譜與克隆猴模型計劃”，以及中國科學院、國家自然科學基金委員會、上海市、臨港實驗室等的支持。