當前位置:首頁 / 新聞動態 / 科研進展 / 正文

科研進展

曹鵬課題組與中科院生物物理所王曉群課題組合作揭示大腦啓動攻擊/防禦行爲的分子遺傳編碼機制

發布時間:2021/08/03

感觉运动转换(sensorimotor transformation)是将感觉信息转换为运动的神经过程,对大脑启动本能行为至关重要。尽管人们对感觉运动转换的神经环路机制和计算模型已有一定了解,其潜在的分子遗传编码机制几乎完全未知。

2021年7月28日,香港快三曹鹏课题组和中科院生物物理研究所王晓群课题组合作,在生命科学著名刊物 Elife 上在線發表了題爲“Transcriptomic encoding of sensorimotor transformation in the midbrain”的研究论文。该研究以中脑上丘(superior colliculus, SC)这一参与早期感觉运动转换的关键脑区为对象,联用单细胞转录组测序和神经环路功能分析的两种方法,揭示了大脑启动攻击/防御行为的分子遗传编码机制。研究者首先应用单细胞测序技术鉴定了位于不同层面的上丘神经元的标志基因。其中Cbln2Pitx2 基因分别特异地标记了上丘视神经层(optic nerve layer,Op)和中间灰质层层(intermediate gray layer,InG)的谷氨酸能投射神经元。神经环路功能分析进一步表明这两类神经元分别参与了截然不同的两个感觉运动转换过程:依赖于视觉的躲避天敌的本能防御行为和依赖于触觉的捕食猎物的本能行为。



單細胞測序手段首次應用于中腦上丘神經元的分型研究

研究者首先通过10X Genomics对14,892个上丘细胞进行了单细胞转录组测序。根据经典的标志基因,将上丘细胞分为兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞、少突膠質細胞、少突膠質前體細胞、小膠質細胞、內皮細胞、纖毛細胞和腦膜細胞。然後分別將興奮性神經元和抑制性神經元進一步劃分爲9個和10個亞簇。爲了解析環路特異性的遺傳編碼機制,研究者分別在vGlut2-IRES-Cre小鼠上丘的下遊腦區LPTN (lateral posterior thalamic nucleus,外侧后下丘脑核)和ZI(zona incerta,未定带) 注射AAV2-retro-DIO-EGFP病毒。发现投射到LPTN和ZI的上丘谷氨酸能神经元分别位于上丘的Op层和InG层。通过对表达EGFP的细胞进行Patch-Seq和单细胞转录组测序,研究者进一步发现了投射至LPTN的上丘Op层神经元以及投射至ZI的上丘InG层神经元的标志基因。其中Cbln2和Pitx2分别特异性地在这两类神经元中表达。



上丘Cbln2+ Pitx2+神經元是躲避天敵和捕食獵物本能行爲所必須的

研究者隨後構建了特異標記Cbln2+神經元的Cbln2-IRES-Cre小鼠,並采用了能夠特異標記Pitx2+神經元的Pitx2-Cre小鼠。分別通過在這兩種Cre品系的上丘注射AAV-DIO-EGFP-2A-TeNT病毒特異性阻斷上丘Cbln2+細胞和Pitx2+細胞的突觸傳遞,研究者發現上丘Op層的Cbln2+細胞是小鼠啓動依賴于視覺的躲避天敵本能防禦行爲所必須的,而上丘InG層的Pitx2+是依賴于觸覺的捕捉獵物本能行爲所必須的。



上丘Cbln2+ Pitx2+神經元分別編碼天敵的視覺信息和獵物的觸覺信息

通過在Cbln2-IRES-Cre小鼠上丘Op層和Pitx2-Cre小鼠上丘InG層注射AAV-DIO-GCaMP7病毒並進行光纖記錄,研究者發現上丘Cbln2+細胞對視覺刺激有較強反應,而對胡須觸覺刺激無顯著反應。上丘Pitx2+細胞對胡須觸覺刺激有較強反應,而對視覺刺激無顯著反應。




上丘Cbln2+ Pitx2+神經元接受完全不同的神經輸入

通过RV tracing的方法,研究者发现上丘Cbln2+神经元接受初级视觉皮层以及对侧视网膜的输入,而上丘Pitx2+神经元则接受初级触觉皮层以及介导头面部触觉的三叉神经复合体Pr5等的输入。



上丘Cbln2+ Pitx2+神經元通過不同的神經環路啓動本能行爲

研究者通過對上丘Op層的Cbln2+細胞和InG層的Pitx2+的投射進行追蹤,發現這兩類細胞有著截然不同的投射腦區。通過在這兩類細胞中表達ChR2,研究者發現光激活上丘Op層的Cbln2+細胞在LPTN的投射可以觸發小鼠出現類似于躲避天敵的僵直(freezing)行爲,而光激活上丘InG層的Pitx2+細胞在ZI的投射則可以促進小鼠的捕食獵物行爲。



綜上所述,此研究揭示了中腦上丘參與不同本能行爲的神經環路的遺傳編碼機制。審稿人認爲此項研究爲後續領域內研究中腦上丘神經環路功能的遺傳編碼機制打下了很好的研究基礎,是單細胞測序技術研究大腦神經環路功能的一個典範。

本文通讯作者为北京师范大学吴倩教授、香港快三的曹鹏研究员和中科院生物物理研究所的王晓群研究员。曹鹏课题组的博士后谢志勇、王晓群组博士研究生王梦迪和刘泽源、广州生物岛實驗室的尚从平研究员是研究论文的共同第一作者。这项研究也得到了北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏實驗室的大力支持,罗敏敏實驗室自主开发的稀疏标记技术为这项研究提供了很大的支持和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等基金项目的支持。


原文鏈接:

https://elifesciences.org/articles/69825#content

?