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丘脑参与了包括感觉处理、注意力、决策和记忆在内的多种脑功能。传统上，我们认为丘脑不同的核团组织决定了其功能多样性。近来，麻省理工学院冯国平教授研究团队于2022年2月在Nature Neuroscience发表综述文章，使用先进的表达谱研究揭示了丘脑核团内和跨核团的单细胞水平基因表达梯度，并结合解剖学追踪和生理分析，提出了以前未被认知的异质性，提出亚群和子网络两个关键概念。


脑电研究领域前沿（MIT冯国平教授重新定义）(1)


冯国平教授团队根据独特的输入-输出连接模式和基因表达重新定义了丘脑的功能单位，并认为由遗传学、连接性和计算交叉定义的丘脑子网络更适合进行功能水平的描述；适当的扰动产生的行为表型也支持子网络这一概念。文章提供了几个丘脑子网络的例子，并针对这个新的视角如何推动基础神经科学进步，揭示具有治疗潜力的独特靶点提出建议。


团队介绍：

通讯作者冯国平,Ph.D,麻省理工学院脑与认知科学系麦格文脑研究所神经科学客座教授。致力于了解调节大脑中突触发育和功能的机制，以及突出功能障碍如何导致精神疾病。其实验室使用基因动物工程模型，将尖端技术和多学科方法相结合，截至神经发育和精神疾病的神经生物学机制。


前文阅读：


啮齿动物中不同的丘脑核团


丘脑是哺乳动物前脑的中心结构，接受各种皮质和皮质下结构的输入，大致可分为背侧和腹侧亚区。丘脑背侧大多为兴奋性神经元，主要投射到皮质、杏仁核和纹状体，而腹侧丘脑不投射到皮层。


传统上，丘脑根据尼氏染色和粗略的输入-输出连接模式被划分为单独的核团；丘脑背侧约有50个不同的兴奋性核团，可分为七个主要分区：前部、内侧部、外侧部、腹侧部、板内组、中线组和后部组。高比例的抑制性神经元位于丘脑腹侧的丘脑网状核(TRN)中。

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图1：啮齿类动物不同的丘脑核团

细胞类型、亚群和子网络


此篇综述首先明确定义了三个关键术语。

1、“细胞类型”，是通过单一方法识别的特征，在单个丘脑核团中，根据形态学、神经化学或生理学来定义的。例如，形态学可以根据胞体大小和树突分支模式的不同来识别神经元，神经化学可以表明细胞类型是兴奋性的还是抑制性的，生理学可以利用不同的感觉反应模式来识别神经元。


2、“亚群”，现代基因图谱的出现使“亚群”的识别成为可能：即共享特定模式的细胞群。


3、“子网络”，将一个或多个具有特定功能的亚群定义为“子网络”。由于每个神经元或亚群通常具有多个输入和输出，因此在不同的功能子网络中使用相同的亚群很可能是一种常见而有效的功能电路组装方法。例如，对于给定的功能，亚群A可以与亚群B形成子网络，但是与亚群X形成子网络以服务不同的功能。这一定义是前瞻性的，需要未来的实验来继续验证和完善。

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图2：从丘脑核团到子网络

单个核团、细胞类型、亚群和子网络之间的关系。

丘脑神经元的抑制性


丘脑神经元表现出异质性的观点很早就被认识到了。这种异质性可以在形态学、输入和输出、生理和神经递质定位的水平上观察到。


3-1 形态学


早期高尔基染色根据细胞形态区分丘脑神经元并分为三种类型：

1、“Buschzell”的大型神经元，它有许多短小的放射状树突和大量的棘状附属物。


2、“Strahlenzell”的大型神经元呈星状辐射，树突较少，较短，树突分支点附近有葡萄状的特征附属物。


3、小中间神经元有很少的长而光滑的树突和短轴突。较大的兴奋性神经元投射到母核外的皮层，缺乏局部连通性，而较小的中间神经元只表现出局部连通性。


随后的研究显示，丘脑神经元之间存在进一步形态学差异以及输入-输出模式、生理和基因表达变化等。


3-2 生理学


基于以上发现，研究人员进一步观察丘脑核的电生理差异。虽然丘脑主细胞被认为在感觉核中具有相似的内在特性，但它们的动作电位参数存在实质性的差异。来自三个运动相关丘脑核团（中央内侧核团（CM）、腹前核团（VA）和腹外侧核团（VL）)的全细胞记录显示，电生理膜和突触特性沿CM到VA到VL核团的梯度变化。


尽管之前的研究揭示了丘脑神经元的电生理异质性，但这项研究发现，丘脑核的单细胞生理特性沿着一个连续统存在，而不是形成独特的、离散的轮廓（图3b）。然而，这一观察结果的功能意义尚未揭示。


该研究还将这些生理观察结果与分级转录谱（图3c）和形态学差异联系起来，表明细胞形态学、末端树枝化、输入类型和电生理特性是表征丘脑细胞多样性的有效方法。关于丘脑主要神经元的基本内在特征，它们的两种不同的放电模式（强直和爆裂）-这些模式中的异质性与躯体发育形态学差异存在关联。

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图3：丘脑神经元的多样性


3-3 神经递质和受体


神经递质及其受体的定位差异提示基因表达谱的变化可能是丘脑核团的一种组织原则。一组鉴定出四个转录因子基因，它们在兴奋性丘脑核内差异表达。一组不同的基因被鉴定为抑制性丘脑核。因为这些候选基因可能反映了兴奋核或抑制核之间共享的不同亚群，许多研究小组试图识别丘脑核和亚群特异性分子标记。


基因表达的差异导致了丘脑核分类的核心-矩阵理论：单个核中的神经元核心以特定区域的方式投射到皮质的中间层，并有助于基本感觉，而每个核中的神经元矩阵投射到皮质的浅层，覆盖广泛区域，并参与感官体验不同方面的整合。丘脑核的这种核心-基质分类已被用于了解人类皮质中功能连接的整体模式。


最近，一个研究小组利用了艾伦大脑研究所的原位杂交数据库，该数据库覆盖了大部分小鼠基因组，并鉴定了丘脑复合体不同部位表达的基因。一组六个基因可以组合使用来定义大多数丘脑核。从概念上讲，这项研究表明，丘脑核可分为九组（图4），且不同于经典的丘脑核组（图1）。然而，在没有功能数据的情况下，目前尚不清楚拟议的丘脑核群是否比经典的核群有所改善。


虽然基因表达差异显然有助于确定假定的亚群体，但冯国平教授团队认为，将基因表达与形态学、连接性和生理学相结合的综合方法是确定亚群体和子网络的更好策略。

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图4：六个基因可以组合使用来定义丘脑核团

丘脑神经元的单细胞异质性


近来，高通量scRNA-seq技术已经能够对复杂组织中的数万个单个细胞进行RNA分析。Drop-seq分析了大约89000个丘脑神经元，主要发现了两种细胞类型：一种表达Rora（编码维甲酸相关孤儿受体-α），另一种表达Gad2（编码谷氨酸脱羧酶2）。


根据艾伦研究所的基因表达数据库中，Rora在大多数兴奋性丘脑神经元中表达，而Gad2表达在已知的含有抑制性神经元的细胞核（TRN和LGN）中富集。这些神经元细胞类型可以进一步细分为11个假定的亚群（图5a），这与小鼠丘脑亚群的历史观点非常不同。


对于Rora和Gad2细胞类型，基因表达谱确定了几个明显独特的神经元亚群。然而，每种细胞类型中的大多数亚群被分组在一起（图5a），表明某种程度的共享基因表达。


基于投影的scRNA-seq根据皮质靶识别出不同的多核亚群，这些亚群显示出跨核的基因表达梯度，并表明不同丘脑核的边界包含独特的中间亚群。


虽然这些中间亚群的功能含义尚不清楚，但可能反映了丘脑核团及其亚群形成的发育过程。从视觉、躯体感觉和运动前脑区域逆行标记丘脑核团得到五个主要亚群(图5B)，且这与经典的丘脑核群(图1)不同。


这些scRNA-seq方法揭示了基因表达的梯度，表明这可能是丘脑核的一个子集的固有特征，可以用来增强我们对这种结构中的细胞类型和亚群的理解。

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图5：丘脑神经元的单细胞异质性

丘脑子网络的识别


历史主流观点认为每个核团支持特定的功能。然而，随着丘脑联合核团执行许多不同功能的证据逐渐明显，冯国平教授团队认为，丘脑每个核团可能存在异质性，为不同的功能贡献提供一个细胞水平的框架。


核团内异质性的一个例子是PVT。这个核团参与许多不同的功能。例如，PVT对恐惧记忆至关重要，它调节阿片类药物戒断诱导的症状的表达，葡萄糖反应中PVT神经元控制寻找蔗糖的行为，PVT回路由突显处理和(或)清醒招募等。


追踪研究表明，前部PVT(aPVT)和后部PVT(pPVT)具有不同的输入-输出连接性。具体地说，aPVT和pPVT分别以下缘皮质和前缘皮质为靶点，它们又分别反过来支配aPVT和pPVT。这表明这两个PVT亚群形成了独立的丘脑-皮质丘脑环(图6a，b)。


单细胞电生理记录发现TRN中有两个神经元亚群：腹侧TRN神经元具有典型的爆发式放电，背侧TRN神经元缺乏爆发式放电。基于连通性、电生理学和对躯体感觉行为的贡献，已经确定了两个抑制性TRN子网络。


最近，一项对小鼠TRN神经元的scRNA-seq研究表明，两个负相关基因表达谱的转录梯度和TRN神经元的电生理特性都存在梯度，揭示了基因表达与生理之间的联系。在这种梯度的两端的神经元表达相互排斥的标记Spp1(编码分泌的磷蛋白1)和Ecel1(编码内皮素转换酶样1)(图6c-e)。这两个TRN亚群在调节睡眠方面显示出不同的功能作用。


研究表明，集中在核心区的神经元表现出高爆发放电，可能与Spp1 亚群有关，而低爆发放电神经元可能对应于Ecel1 亚群。另一项研究发现，Calbindin(CB)和SST也标记了不同的核型和壳型TRN亚群。这些研究表明，TRN神经元表现出基因表达的梯度，因此在极端的神经元产生不同的核和壳样子网络。

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图6：丘脑中的子网络

子网络可能是丘脑单个核团的一般特征


TRN和PVT是两个具有明显子网络的单个丘脑核团的例子，也有相当多的证据表明其他丘脑核团内存在异质性。因为这种异质性是构成子网络的必要构件，所以很可能其他单独的丘脑核团也由多个子网络组成。


这篇综述重点介绍了几个兴奋性核团内的细胞和功能多样性。以PF为例，PF最为人所知的是它通过投射到背侧纹状体参与运动功能，包括行为灵活性。一项追踪研究表明，不同的PF种群分别投射到纹状体和丘脑底核，这是PF内异质性的最早迹象之一。


最近的一份报告发现，PF-丘脑下核的投射(而非PF-纹状体的投射)有助于运动的启动，这为两个亚群在功能上的不同提供了证据，因此可能形成两个不同的子网络。


之前的多项研究在形态学、电生理特性、分子、空间位置、连接性和投射区域等不同方面表明PF包含离散的亚群，从内侧PF到外侧PF的生理特性沿着梯度变化，类似于基于投射的丘脑scRNA-seq研究中确定的生理梯度。


它们的大脑皮层投射也不同。在前扣带回和岛叶皮质的下缘下部、腹侧部可见内侧PF轴突。中央PF投射到与内侧PF相同的区域，但也投射到运动和味觉皮质，而外侧PF投射到躯体感觉和味觉皮质。


由于这些投射模式实验没有使用遗传学方法来靶向TNC 中央PF或SPON1 外侧PF亚群，因此这篇综述提出，未来的工作必须弄清楚中央和外侧PF的投射是否分别与TNC 和SPON1 PF神经元的投射紧密匹配。


此外，它们的输入也不同，PFC轴突优先定位于内侧PF，运动皮质轴突定位于中央PF，躯体感觉轴突定位于外侧PF。这些发现表明，前额叶是异质性的，包含亚群(包括一个新的“中央前额叶”亚群)，这些亚群被组织成平行和独立的联合、边缘和躯体感觉回路(图7)。


在运动行为中操纵这三个不同的PF亚群，特别是中央PF神经元，将有助于识别潜在的功能差异，并且确定这些差异如何映射到内侧轴将是有趣的。这种功能数据是将这三个不同的PF亚群链接到一个或多个子网络所必需的。目前，尚不清楚这三个遗传上可识别的PF亚群与先前基于形态学和/或电生理学对PF细胞多样性的描述的对应关系。

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图7：从scRNa-seq到三个不同的PF亚群

未来方向


现代单细胞图谱显示丘脑神经元表现出基因表达梯度，这为鉴定新的亚群铺平了道路。虽然现有研究才刚刚开始将不同的丘脑亚群与功能联系起来，但这样的研究已经加强了我们对丘脑回路如何控制广泛的皮质过程以及许多其他功能的理解。有趣的是，遗传梯度似乎是哺乳动物大脑中的一个共同特征，正如最近对海马体和杏仁核神经元的转录图谱所证明的那样。


基因表达梯度将为编码来自外部世界的信息提供更大的动态范围，而外部世界本身在本质上是连续的。在生命早期，这些梯度可能允许不同的核根据它们的连通性和功能贡献发展一个或多个子网络。此外，由于大脑皮质由基因表达梯度组成，因此丘脑输入有可能表现出梯度，从而与不同的皮质亚群形成丘脑皮质环路。


令人兴奋的未来研究方向包括调查这些丘脑亚群的发育，这些细胞变异的梯度是否在发育过程中或在行为训练之后表现出活动依赖的变化，以及这些亚网络是否会因疾病状态而改变。在丘脑疾病模型中应用特定于网络的操控可以促进新的治疗策略的发展。



参考文献

Roy, D.S., Zhang, Y., Halassa, M.M. et al. Thalamic subnetworks as units of function. Nat Neurosci 25, 140–153 (2022). https://doi.org/10.1038/s41593-021-00996-1


编译作者：Zouki（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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