5月30日，Science Advances期刊在線發(fā)表題為Whole-Brain Mapping of Basal Forebrain Cholinergic Neurons Reveals a Long-Range Reciprocal Input-Output Loop between Distinct Subtypes的研究論文，該研究由上海交通大學醫(yī)學院張思宇研究組與中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）徐敏研究組合作共同完成。研究聚焦于基底前腦的乙酰膽堿能神經(jīng)元（BFCN），綜合運用病毒示蹤、腦片電生理、自主研發(fā)高通量解剖學數(shù)據(jù)分析軟件等多項技術，發(fā)現(xiàn)支配前扣帶回皮層(ACA)與支配基底外側(cè)杏仁核(BLA)的基底前腦乙酰膽堿能神經(jīng)元(BFCN→ACA和BFCN→BLA)是兩個具有不同電生理特性的互不重疊的亞型。全腦輸出3D解剖學連接圖譜的結果顯示這兩類BFCN亞型具有互不重疊的輸出網(wǎng)絡，BFCN→ACA神經(jīng)元軸突分布于多個皮層區(qū)域，而BFCN→BLA神經(jīng)元的軸突則主要分布于皮層下結構。通過RV介導的逆向跨單突觸示蹤以及三重RNAScope原位雜交技術，研究人員繪制了這兩類BFCN亞型具有輸入神經(jīng)元類型特異性的全腦輸入3D解剖學連接圖譜，發(fā)現(xiàn)這兩類BFCN亞型具有不同的興奮性輸入源，卻共享抑制性輸入源。BFCN→ACA神經(jīng)元整合來自下丘腦和中腦的情緒和狀態(tài)相關興奮性輸入去調(diào)控皮層活動，并從皮層區(qū)域獲得反饋。BFCN→BLA神經(jīng)元則被來自皮層和丘腦的興奮性輸入激活，將認知相關信息傳遞到杏仁核，同時也從杏仁核獲得反饋。通過對兩群乙酰膽堿能神經(jīng)元的輸入輸出網(wǎng)絡的交互協(xié)同作用進行分析，最終揭示了子網(wǎng)絡間一個長程的相互作用輸入-輸出環(huán)路：BFCN→ACA神經(jīng)元調(diào)控二者共同的興奮性輸入──皮層；而BFCN→BLA神經(jīng)元則調(diào)控二者共同的抑制性輸入──紋狀體和蒼白球。
圖0
BFCNs通在不同腦區(qū)，如ACA和BLA，釋放乙酰膽堿來調(diào)控視覺注意和恐懼反應[1]。注意與恐懼的交互作用對動物生存至關重要，恐懼使注意偏向威脅性刺激，而注意則能主動調(diào)節(jié)恐懼反應，但乙酰膽堿能系統(tǒng)如何協(xié)同調(diào)控注意和恐懼以使動物抉擇適應當前環(huán)境的機制仍然未知。BFCNs在解剖學和功能學上的復雜性是解決該問題的主要挑戰(zhàn)。
為了探究BFCN→ACA和BFCN→BLA是否是同一群神經(jīng)元，研究者首先在ChAT-Cre小鼠的ACA和BLA注射Cre依賴的表達不同顏色熒光病毒的逆向標記病毒，通過實驗室自主研發(fā)的高通量解剖學數(shù)據(jù)分析軟件進行分析，結果表明兩群BFCNs的共標率幾乎為零。進一步通過腦片電生理記錄兩群BFCNs的電生理學特性，發(fā)現(xiàn)二者具有不同的放電特性，證實BFCN→ACA和BFCN→BLA是互不重疊且具有不同放電模式的亞群（圖1）。
為了探究BFCN→ACA神經(jīng)元的全腦軸突分布，研究者聯(lián)合病毒示蹤和酪酰胺信號放大技術，構建了BFCN→ACA和BFCN→BLA神經(jīng)元亞群的全腦輸出3D解剖學連接圖譜，結果顯示BFCN→ACA神經(jīng)元主要支配皮層區(qū)域，BFCN→BLA神經(jīng)元主要支配皮層下腦區(qū)（圖2）。
前人的研究已經(jīng)繪制了BFCNs的全腦輸入圖譜[2, 3]，但這些輸入神經(jīng)元的性質(zhì)（即興奮性還是抑制性）仍不明確。在這部分實驗中，研究者使用RV介導的逆向跨單突觸示蹤技術和三重RNAscope原位雜交技術，在對上游示蹤的同時明確它們的性質(zhì)。實驗結果表明BFCN→ACA神經(jīng)元的興奮性輸入主要來自皮層、中腦、下丘腦，抑制性輸入主要來自紋狀體、下丘腦、蒼白球；而BFCN→BLA神經(jīng)元的興奮性輸入來自皮層、丘腦、皮層下板，抑制性輸入來自紋狀體、蒼白球、下丘腦（圖3）。
為了研究BFCN→ACA神經(jīng)元和BFCN→BLA神經(jīng)元的興奮性輸入網(wǎng)絡、抑制性輸入網(wǎng)絡和輸出網(wǎng)絡之間的關系，研究者計算這些網(wǎng)絡在11個主要腦區(qū)中分布占比的相關系數(shù)，結果表明BFCN→ACA神經(jīng)元的輸出網(wǎng)絡選擇性地與興奮性輸入網(wǎng)絡相互作用，與之相反，BFCN→BLA神經(jīng)元的輸出網(wǎng)絡選擇性地與抑制性輸入網(wǎng)絡相互作用。該研究還揭示了這兩個BFCN亞型的輸入-輸出子網(wǎng)絡之間相互作用的一個長程環(huán)路：BFCN→ACA神經(jīng)元支配二者共同的興奮性輸入源──皮層；而BFCN→BLA神經(jīng)元則支配二者共同的抑制性輸入源──紋狀體和蒼白球（圖4）。此工作加深了對乙酰膽堿能神經(jīng)元網(wǎng)絡調(diào)控注意和恐懼的理解，并為膽堿能神經(jīng)元子網(wǎng)絡間相互作用提供了新的見解。
該研究在上海交通大學醫(yī)學院張思宇研究員與中科院腦智卓越中心徐敏研究員的指導下，由博士生陳兆南以及博士后劉燕梅（現(xiàn)為上海交通大學醫(yī)學院松江腦研究院副研究員）為共同第一作者完成。該工作獲得科技部科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學基金委員會和上海市科學技術委員會的資助。
