3月29日,，《自然》（Naure）雜志在線發(fā)表以我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院“”韓蕓耘教授為第一作者的正文文章 “The logic of single-cell projections from visual cortex”。華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為該論文的第一作者第一單位,，論文的通訊作者為瑞士巴塞爾大學(xué)的Thomas Mrsic-Flogel教授和美國(guó)冷泉實(shí)驗(yàn)室的Anthony Zador教授,。該論文采用高通量的神經(jīng)元示蹤和測(cè)序方法,，對(duì)多個(gè)單神經(jīng)元的軸突長(zhǎng)距離投射模式進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分析，證明大腦采取了多種模式進(jìn)行信息分流處理,，不同的分流模式是被有序地組織起來(lái),，這對(duì)保持大腦處理和利用信息的高效率非常重要。
大腦能夠執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù),，得益于具有不同功能的腦區(qū)的分工與合作：具有特定結(jié)構(gòu)的腦區(qū)用于執(zhí)行特定的計(jì)算功能，不同結(jié)構(gòu)和功能的腦區(qū)之間的信息交互保證大腦工作的協(xié)同性,。這樣的工作方式非常類似于大型電子計(jì)算設(shè)備,，特定的計(jì)算模塊被優(yōu)化來(lái)處理特定類型的數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)，特定信息被不斷分流到相應(yīng)的計(jì)算模塊被逐層處理,。因此,，了解哪些不同的計(jì)算模塊之間存在著信息交互，在具有信息交互的計(jì)算模塊之間采用了怎樣的信息分流的規(guī)律,，是建立類腦計(jì)算模型所必不可少的基礎(chǔ),。在以往的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究中，研究者采用傳統(tǒng)的標(biāo)記方法,，確定了相互存在著軸突連接的腦區(qū),，發(fā)現(xiàn)大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接方式非常復(fù)雜，幾乎每個(gè)腦區(qū)都和數(shù)個(gè)其他腦區(qū)（通常大于20個(gè)）有連接關(guān)系,。作為神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,，單個(gè)的神經(jīng)元所攜帶的信息和投射的目標(biāo)區(qū)域可能存在很大的差異，從同一個(gè)腦區(qū)投射向其他多個(gè)腦區(qū)的這種連接可能包含著不同的信息分流規(guī)律：（1）單個(gè)神經(jīng)元只向一個(gè)目標(biāo)腦區(qū)進(jìn)行投射（一對(duì)一投射,，圖1a）：每個(gè)下游腦區(qū)接收到的從同一個(gè)區(qū)域輸送來(lái)的信息是完全割裂的,。信息在流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行了過(guò)濾分流，減少了冗余重復(fù),，并為單獨(dú)調(diào)控神經(jīng)環(huán)路中的特異部分提供了獨(dú)立的信息通道,，滿足認(rèn)知學(xué)習(xí)對(duì)神經(jīng)環(huán)路可塑性的需求。（2）一對(duì)多的投射模式：?jiǎn)蝹€(gè)神經(jīng)元同時(shí)投射到多個(gè)目標(biāo)區(qū)域接收到從同一腦區(qū)傳遞來(lái)的信息是完全相同的,。這種情況下,，只需要少量的神經(jīng)元就可以將信息同步傳遞到下游的全部區(qū)域,，保證了信息的一致性。在該種模式中,，也可能存在兩種可能的情況：隨機(jī)性一對(duì)多投射 （圖1b,，單個(gè)神經(jīng)元隨機(jī)組合投射向多個(gè)下游腦區(qū)）和有序性一對(duì)多投射（圖1c，單個(gè)神經(jīng)元有選擇地同時(shí)投射向特定的幾個(gè)腦區(qū)或有選擇地避免同時(shí)投射向特定腦區(qū)）,。這些不同的投射模式,，代表了信息分流處理的不同層級(jí)關(guān)系，對(duì)應(yīng)著計(jì)算模型中不同模塊之間的不同構(gòu)架方式,，它們只能通過(guò)定量統(tǒng)計(jì)多個(gè)單神經(jīng)元的跨腦區(qū)投射結(jié)果才能獲得,。
圖1. 神經(jīng)元投射模式代表不同的信息分流規(guī)律
在該研究中,，韓蕓耘教授與合作團(tuán)隊(duì)建立了在活體小鼠的視覺(jué)皮層內(nèi),，可靠地電轉(zhuǎn)導(dǎo)熒光標(biāo)記單個(gè)神經(jīng)元的方法，結(jié)合連續(xù)雙光子斷層掃描技術(shù)對(duì)標(biāo)記的神經(jīng)元進(jìn)行自動(dòng)化的全腦尺度高精度成像,，成功掃描了近百個(gè)神經(jīng)元的形態(tài)圖像,。利用自主開(kāi)發(fā)的示蹤、圖像配準(zhǔn)和分析軟件,，對(duì)其中大部分神經(jīng)元的軸突結(jié)構(gòu)在全腦范圍內(nèi)進(jìn)行了3D重構(gòu),，并定量分析了其投射區(qū)域的特征，發(fā)現(xiàn)小鼠初級(jí)視覺(jué)皮層的第2/3層的神經(jīng)元中,，只有少量（約1/4）的神經(jīng)元采用一對(duì)一的投射方式,，大部分的神經(jīng)元都采用了一對(duì)多的投射模式，同時(shí)投射向2-8個(gè)其他腦區(qū),。同時(shí),，利用條碼測(cè)序方法獲得了500多個(gè)神經(jīng)元的軸突投射分布，并將其結(jié)果與單個(gè)神經(jīng)元3D重構(gòu)的結(jié)果相對(duì)比,，首先驗(yàn)證了RNA條碼測(cè)序結(jié)果的有效性,。再對(duì)500多個(gè)神經(jīng)元的投射模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在初級(jí)視覺(jué)皮層發(fā)出的一對(duì)多的投射模式中確實(shí)存在著3組有序加強(qiáng)的單細(xì)胞共同投射目標(biāo)和2組刻意回避的單細(xì)胞同時(shí)投射目標(biāo),。這樣的投射模式可能代表了大腦分流信息的一種基本規(guī)律,，能夠有效地提高協(xié)同度高的不同腦區(qū)的同步性，降低協(xié)同度低的腦區(qū)間的相互干擾,。這為建立模擬大腦功能的計(jì)算模型提供了重要的實(shí)驗(yàn)支持,。
本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助（2017.01-2019.12, 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目, 運(yùn)用單細(xì)胞全腦示蹤技術(shù)解析小鼠初級(jí)視覺(jué)皮層（V1）的投射規(guī)律，No.31600847）
韓蕓耘教授為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院引進(jìn)的“”,，2003年在清華大學(xué)獲得生命科學(xué)學(xué)士學(xué)位,，2011年在瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)洛桑分校獲得神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，主要研究神經(jīng)突觸的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制,。2012-2015年在英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院和瑞士巴塞爾大學(xué)從事博士后研究,，重點(diǎn)探索小鼠視覺(jué)信號(hào)處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制,，繪制小鼠全腦連接組的精細(xì)圖譜。2015年入選中組部“”計(jì)劃,，2015年12月起受聘為我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授。該論文的大量工作由韓蕓耘教授回國(guó)加入基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院后,，與Mrsci-Flgel教授和Zader教授的的團(tuán)隊(duì)合作完成,。
原文摘要：
Neocortical areas communicate through extensive axonal projections, but the logic of information transfer remains poorly understood, because the projections of individual neurons have not been systematically characterized. It is not known whether individual neurons send projections only to single cortical areas or distribute signals across multiple targets. Here we determine the projection patterns of 591 individual neurons in the mouse primary visual cortex using whole-brain fluorescence-based axonal tracing and high-throughput DNA sequencing of genetically barcoded neurons (MAPseq). Projections were highly diverse and divergent, collectively targeting at least 18 cortical and subcortical areas. Most neurons targeted multiple cortical areas, often in non-random combinations, suggesting that sub-classes of intracortical projection neurons exist. Our results indicate that the dominant mode of intracortical information transfer is not based on ‘one neuron–one target area’ mapping. Instead, signals carried by individual cortical neurons are shared across subsets of target areas, and thus concurrently contribute to multiple functional pathways.
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/nature26159
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