發(fā)布時(shí)間：2024-04-23
????2024年4月22日， 《Nature Communications》期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《Diverse and asymmetric patterns of single-neuron projectome in regulating interhemispheric connectivity》的研究論文。
該工作由中國科學(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）劉賜融研究組聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院韓軍偉教授、趙世杰副研究員團隊共同合作完成。
???白質(zhì)通路是不同腦區之間形成遠程連接的結構基礎。大量跨越兩個(gè)大腦半球的白質(zhì)通路構成了復雜的網(wǎng)絡(luò )結構，也是形成大腦功能連接網(wǎng)絡(luò )的基礎。作為胎盤(pán)哺乳動(dòng)物中最大的白質(zhì)束，胼胝體連接了兩個(gè)半球的皮層區域，對半球間的溝通至關(guān)重要。協(xié)調兩個(gè)半球之間的神經(jīng)活動(dòng)對于正常腦功能和行為至關(guān)重要，其紊亂與多種腦功能障礙相關(guān)。因此，揭示半球間連接的組織以及它們的結構-功能關(guān)系對于理解正常腦功能和各種疾病至關(guān)重要。
????之前已有廣泛的研究揭示半球間同源（Homotopic）腦區之間的連接的解剖特征和功能。然而對于大量的異源（Heterotopic）腦區間連接的結構和功能還知之甚少。然而，由于傳統連接數據分辨率不足，難以描述皮層區域、分層和細胞特異性的連接模式，這限制了對異源投射的結構和功能的了解。
????研究團隊首先利用公開(kāi)的Allen bulk示蹤數據和中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心的小鼠前額葉單神元示蹤數據(Gao, et al, 2022), 深入探索了小鼠在群體水平和單細胞水平下特定區域、特定layer、特定細胞的跨半腦結構連接模式。研究結果表明，與群體水平相比，單神經(jīng)元數據揭示了更復雜且密集的連接模式。具體來(lái)說(shuō)，單神經(jīng)元數據確定了更多的皮層區域之間的連接。此外，相比群體水平得到的兩種雙側投射模式，單神經(jīng)元數據確定了五種雙側投射模式，從而揭示了結構連接的復雜性。這種連接模式在不同layer中也表現出一致性。
???借助單神經(jīng)元尺度的分辨率，本研究定義了投射的“異質(zhì)性（Heterogeneity）”。研究者從實(shí)驗數據中計算了下游腦區是一對同源腦區，以及下游腦區是多個(gè)非同源腦區這兩種情況異質(zhì)性水平，發(fā)現對不同同源腦區的投射表現出非常不同的異質(zhì)性，而到對側半腦的投射表現出比同側半腦投射更強的異質(zhì)性。為了理解這一結構性質(zhì)如何影響大腦活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征，本研究進(jìn)一步進(jìn)行了多腦區神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)力學(xué)模擬，結果表明到一對同源腦區的投射的異質(zhì)性是決定這對同源腦區的神經(jīng)活動(dòng)同步性的主要因素，其效果遠強于同源腦區之間的直接相互投射對神經(jīng)活動(dòng)同步的影響。另一方面，模擬結果顯示對多個(gè)非同源腦區投射的異質(zhì)性更強會(huì )使得腦區之間同步的強度下降，而可變性（Variability）也下降，從而預測了同側半球腦區之間的同步會(huì )有更高的強度以及更高的可變性。
????最后，研究者采集了小鼠背側皮層的寬場(chǎng)鈣成像（wide-field calcium imaging）數據，對腦區之間神經(jīng)活動(dòng)同步的分析結果很好地吻合了模型預測，即半球間的異源投射表現出功能連接強度較低但條件穩定性較高的特點(diǎn)，從而驗證了異質(zhì)性這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的結構屬性對于神經(jīng)活動(dòng)存在重要影響。
????西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院博士研究生費瑤和中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心博士研究生吳啟航共同為該論文的第一作者，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心劉賜融研究員和西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院韓軍偉教授、趙世杰副研究員為該論文的共同通訊作者。該研究獲得科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、上海市和臨港實(shí)驗室的資助。
附件下載： 
