Nature Neuroscience：中国科学院严军团队通过树突和轴突的单神经元分析揭示了小鼠前额叶皮层中的网络组织

树突和轴突的结构构成了神经网络连通性的基础，但它们在单个神经元水平上的确切关系尚不清楚。

2023年5月22日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）严军团队在Nature Neuroscience 在线发表题为“Single-neuron analysis of dendrites and axons reveals the network organization in mouse prefrontal cortex”的研究论文，该研究利用树突和轴突的单神经元分析揭示了小鼠前额叶皮层中的网络组织。该研究报道了小鼠前额叶皮层近2000个神经元的完整树突和轴突形态。作者发现了体细胞、树突和轴突在层流层和PFC亚区之间的形态变化，以及体细胞树突缩放与细胞结构的一般规律。

在1515个锥体投射神经元和405个非典型锥体投射神经元和具有独特轴突投射模式的棘星状神经元中发现了24种形态上可区分的树突亚型。此外，树突、局部轴突和远端轴突之间的对应分析揭示了与电生理表型相关的连贯形态学变化。总之，该研究为PFC神经网络的重建和分析提供了一个全面的结构库。

另外，2023年5月11日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）严军研究组题在Neuron 在线发表了题为“Cholecystokinin neurons in mouse suprachiasmatic nucleus regulate the robustness of circadian clock”的研究论文，该研究发现小鼠SCN中胆囊收缩素(CCK)神经元的活动先于不同光周期下行为活动的发生。CCK神经元缺陷小鼠表现出自由奔跑时间缩短，在恒定光下出现快速分裂或心律失常。与血管活性肠多肽(VIP)神经元不同，CCK神经元并不直接对光敏感，但它们的激活可以引发由VIP神经元介导的相提前和对光诱导的相延迟。在长光周期下，CCK神经元对SCN的影响大于VIP神经元。最后，该研究发现慢反应的CCK神经元控制着时差期间的恢复速度。总之，该研究结果表明SCN CCK神经元对哺乳动物生物钟的稳健性和可塑性至关重要。

树突和轴突是专门用于神经信息整合和传递的神经元成分。树突和轴突的结构多样性是神经网络中单个神经元巨大计算能力的基础，因此可以作为神经元分类的定量指标。在哺乳动物中，传统的神经元形态学研究主要依赖于局部神经元形态学的重建，包括脑切片上单个神经元的树突和局部轴突。

最近，局部形态学重建与电生理记录和转录组分析相结合，使用Patch-sequencing进一步表征神经元多样性。此外，电子显微镜研究也表明，在不同的神经元中，躯体的几何结构也高度不同。然而，体细胞和树突形态的全面普查仍有待确定。此外，在这些研究中，对神经元输出功能至关重要的远程轴突和大脑中精确的体细胞位置经常被遗漏。目前还缺乏大规模的树突-轴突联合分析，局部神经元形态是否以及如何与单神经元水平的远端轴突投射相关尚不清楚。

据报道，在哺乳动物皮层，锥体神经元的树突形态表现出相当大的异质性。研究表明，5B层锥体神经元的顶端树突大小沿前后轴减小，这与初级视觉皮层（V1）的皮层厚度变化有关，导致树突整合能力不同。之前的研究确定了整个小鼠大脑中远端轴突投射的地形梯度。在单个神经元水平上，树突和轴突的形态梯度是否一致，以及这对皮层网络的线路特异性的影响还有待进一步研究。此外，远端皮质连通性的细粒度结构组织仍然未知。投射神经元的树突-轴突配对可能为全脑尺度中观连接体的组织提供重要的见解。

24种树突亚型神经元的代表性树突图（图源自Nature Neuroscience ）

前额叶皮层(PFC)是高级认知功能的关键，但PFC的远程和局部回路尚不清楚。过去对单个神经元形态学和表型的研究主要集中在视觉、体感觉和运动皮质。目前尚不清楚PFC神经元是否与下皮层神经元具有不同的树突形态和生理特征。

该研究分析了近2000个小鼠PFC神经元的树突、局部轴突和远端轴突，揭示了PFC神经元树突相对于感觉和运动皮层树突的独特特征。该研究确定了轴突和树突亚型之间的对应关系，以及与电生理变化相关的树突和轴突形态学的共同梯度。研究人员发现了具有不同树突形态和轴突投射的罕见PFC神经元亚型，包括L2水平神经元，L3垂直神经元，L4样棘星状神经元和L6非典型锥体神经元，这表明将树突和轴突一起考虑到神经元分类的重要性。总之，该研究展示了如何利用单个神经元形态重建来全面定义神经元亚型和推断神经网络的精细连通性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01339-y