小鼠大脑最大单神经元投射体的重建

一项研究发表在自然神经科学中国科学院脑科学与智能技术卓越中心(CEBSIT)的科学家及其合作者首次发布了包含小鼠前额叶皮层(PFC)中6000多个单个神经元的全脑计划，使其成为迄今为止最大的全脑单神经元计划数据库。

科学家们在小鼠PFC中确定了64个投影组定义的神经元亚型及其空间组织、PFC内连接的模块化和层次性，以及转录组定义和投影组定义的神经元亚型之间的对应关系。

的信息流动之间的不同大脑区域大脑皮层依赖于神经元的远距离轴突投射。具有不同投射模式的神经元通常参与不同的大脑功能。

因此，研究单个神经元的投射模式对于理解大脑的组织和信息处理至关重要。在单神经元水平上重建全脑计划可以识别新的神经元亚型，揭示大脑网络的连接规则，从而更系统地了解大脑是如何工作的。

目前，世界各地的科学家都在加紧研究单神经元水平的全脑计划。

在大脑中，PFC是高级认知功能的中心，包括决策、工作记忆和注意力。PFC异常和功能障碍可引起多种神经精神疾病。PFC的轴突投射几乎覆盖了大脑的所有区域，包括皮层、纹状体、丘脑、中脑和后脑。PFC中神经元在单细胞水平上的轴突投射模式仍不清楚，PFC内连接网络的模块化组织仍未发现。

在哺乳动物大脑中以单细胞分辨率重建全脑投影是一项艰巨的任务，需要使用大规模、tb大小的3D光学显微成像数据，对单个神经元进行连续追踪。整个跟踪过程是劳动密集型的、极其复杂的、耗时的。

为了解决这个问题，严军博士实验室的研究员苟凌峰博士开发了软件包Fast Neurite Tracer (FNT)。它促进了单神经元计划的大规模研究高通量，单神经元投影重建和tb大小的光镜成像数据分析。

研究人员与CEBSIT徐宁龙博士实验室、华中科技大学宫辉博士实验室和CEBSIT多个实验室合作，从161只小鼠大脑的光学成像数据中重建了6357个单个PFC神经元的完整轴突形态，并在量化不同神经元轴突形态的相似性后，确定了64个投影体定义的亚型。

然后，研究人员绘制了这些神经元亚型在不同前额叶子区域和皮层层的空间分布。他们分析了PFC内部的连接网络，构建了一个高分辨率的PFC内部网络，揭示了PFC内部的模块化和分层结构。

研究人员还对转录组定义的和投影组定义的神经元亚型进行了比较分析。通过逆行示踪和单分子荧光原位杂交，他们发现每个转录组定义的亚型对应于多个投影组定义的亚型。

研究表明，FNT软件对tb大小的图像数据的单神经元跟踪是有效的。重建了小鼠PFC的单神经元投射体，通过研究PFC的内部连通性和传出投射模式，展示了PFC的工作模型，从而为高水平PFC认知功能的神经机制提供了结构基础。在这些方面，本研究为未来在模式生物中研究全脑介观连接体奠定了基础。