科学 2022-11-03 20:00 作者:思云科学评论:0    浏览:11390    

撰文 | 陈文强责编 | 兮过去数十年来,人们对大脑功能的理解很大程度是通过早期电生理记录实现的,这需要对特定脑区神经元群体的动态活动性进行鉴定。然而,这些研究手段具有较大局限性,这是因为我们对神经元群体的细胞类型的了解不足。近年来,随着细胞生物学和分子生物学的飞速发展,神经生物学家逐渐可实现对大脑复杂神经元群体内特定细胞的精确操控,因此,越来越多特异编码大脑状态和行为的新的神经细胞类型被鉴定出,大大地扩展了我们对脑功能的深刻理解。尽管如此,我们仍然缺乏有效工具来整合具有特定表达特征的神经细胞与大脑功能相关性的数据。为解决整合大脑神经元群体的研究和细胞特异性的分子操控的挑战,2022年9月15日,来自美国斯坦福大学的脑科学研究先驱者Karl Deisseroth 领导的团队在Cell杂志在线发表了题为Cell-type-specific population-dynamics of diverse reward computations的研究论文,通过将大规模电生理记录、钙成像及行为功能记录整合,开发一套基于大规模实验数据的计算生物学模型,挖掘出了用于研究细胞类型特异性生物学功能的计算生物学新范式。研究人员选择缰核进行研究,这是因为该核团解剖学、转录组和环路联系上具有特殊性,比如,缰核结构较为简单,主要分为外侧和内侧两大亚区——外侧缰核 (LHb) 主要接受来自基底前脑、前额叶、下丘脑和基底核的信息传入,并投射至中脑腹侧被盖区及中缝背核,而内侧缰核 (MHb) 主要接受来自隔核等核团的投射,并投射至脚间核。过去数十年来,缰核的细胞特异性的研究主要集中于两类缰核表达的神经元群体——表达Tac1的缰核神经元及表达ChAT的缰核神经元【1】。基于此,研究人员对15个内侧缰核高度表达的基因进行了STARmap原位测序,确认了Tac1和ChAT两类缰核神经元群体的特征。此外,研究人员根据转录组和解剖学特征,将缰核分成了6类亚群 (Hb1至Hb6,图1) 。图1. 内侧缰核细胞类型的分子、解剖学鉴定随后,研究人员分别用不同的小鼠模型 (Tac1-Cre、Chat-Cre、Th-Cre及Calb1-Cre) 对这几类缰核神经元亚群进行了在体钙成像的功能验证,使用视觉空间任务范式,对缰核不同细胞类型编码奖赏信息的特征进行了研究 (图2)。这些缰核神经元群体对奖赏信息表现出不同活动性,其中缰核表达Th+神经元和表达Tac1+神经元的活动性最有特点——前者在小鼠接近奖赏区时表现出最大活动性,而Tac1+神经元的活动性则在奖赏消耗期达到峰值 (图2)。这些研究表明转录水平特异性的缰核神经元具有显著不同的功能特征——Th+神经元代表着习得性的奖赏预测线索,而Tac1+神经元与奖赏结果相关。此外,研究人员还发现,Tac1+神经元具有长时间尺度的活动性,表现在其活动性随奖赏反应的进展而变得更加稳定持久,提示其活动性受奖赏经历影响。图2. 缰核细胞类型对不同奖赏信息表现出截然不同的活动性随后研究人员使用头部固定的奖赏任务训练小鼠,并结合单细胞水平的双光子钙成像及单通道水平的在体电生理记录 (Neuropixels 2.0【2】),对Tac1+神经元活动性对奖赏的响应进一步深入研究 (图3)。通过记录单细胞水平的Tac1+神经元对单次奖赏事件的响应,研究人员观察到了Tac1+神经元对奖赏表现出清晰的增加活动性。图3. 单细胞及群体水平的细胞类型特异性钙成像记录及电生理记录为了将观察到的细胞类型特异性的实验数据整合,研究人员利用计算生物学手段——基于动力系统的潜在因素分析 (LFADS),进一步开发出了细胞类型相关的trLFADS,对细胞类型特异性的电生理数据及钙成像数据库进行整合。这套trLFADS系统可以训练一套递归神经网络 (RNN) (图4)。通过将Tac1+神经元和Th+神经元在不同试验的活动性数据平均化,研究人员得到了这两类神经元的神经元轨迹 (neural trajectory) 。其中,只有Tac1+神经元的轨迹呈现出具有连续性的线性吸引子(line attractor),而Th+神经元表现出点状吸引子——这些几何排列能对神经元在不同时程范围内信息存储的逻辑关系提供新的重要思路。图4. 神经元群体活动性的LFADS模型最后,研究人员使用鉴定出的线性吸引子对Tac1+神经元对外部信息的响应进行了计算生物学的理论预测,并设计新的实验模型进行验证,最终实现了计算机模拟的神经元动态特征和小鼠在体实验证据特征的相互佐证 (图5)。这一计算生物学的模型及实验生物学的验证进一步提示,Tac1+神经元的群体活动性可以作为整合奖赏经历的线性吸引子。图5. 使用光遗传操控及奖赏经历操控,研究人员对线性吸引子的动态模型进行了实验验证本文的两点之一为,结合计算神经生物学模型及在体钙成像记录、多通道记录产生的大量实验生物学数据,提出了一个可用于训练的trLFADS模型,该模型可生成具有进一步测试价值的实验假说。使用该模型,研究人员发现了缰核一类特定表达Tac1神经元的细胞类型具有对奖赏经历响应的新特征。这一研究思路可帮助我们精确找到具有特定遗传特征、脑区分布特异性的大脑细胞类型的关键生物学功能。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.08.019参考文献1. Contestabile, A., and Fonnum, F. (1983). Cholinergic and GABAergic forebrain projections to the habenula and nucleus interpeduncularis: surgical and kainic acid lesions. Brain Res. 275, 287–297. https://doi.org/10.1016/0006-8993(83)90989-7.2. Steinmetz, N.A., Aydin, C., Lebedeva, A., Okun, M., Pachitariu, M., Bauza, M., Beau, M., Bhagat, J., Bo¨hm, C., Broux, M., et al. (2021 Apr 16). Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings. Science 372, eabf4588. https://doi.org/10.1126/science.abf4588.

 
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