脑机启侦｜脑图揭示运动功能背后的神经连接（12.27）

摘要：运动是由大脑发出的信号通过神经元传递到肌肉来实现的，但这些信号通常会先经过脊髓中的中间神经元（interneurons），然后才到达目的地。尽管我们已经知道大脑和这些“交换机”细胞之间的连接对运动至关重要，但对于它们具体是如何连接的，科学界一直知之甚少。

图片来源：Neuron

运动是由大脑发出的信号通过神经元传递到肌肉来实现的，但这些信号通常会先经过脊髓中的中间神经元（interneurons），然后才到达目的地。尽管我们已经知道大脑和这些“交换机”细胞之间的连接对运动至关重要，但对于它们具体是如何连接的，科学界一直知之甚少。

为了揭开这一谜团，圣犹达儿童研究医院（St. Jude Children's Research Hospital）的研究人员创建了一个全脑图谱，可视化了向V1中间神经元发送直接输入的大脑区域。V1中间神经元是一组对于运动至关重要的细胞。该图谱及其配套的三维互动网站为深入理解神经系统解剖结构以及大脑如何与脊髓通信提供了框架。

研究介绍

“几十年来，我们知道运动系统是一个分布式的网络，但最终输出是通过脊髓完成的。”该研究的通讯作者、圣犹达发育神经生物学系的杰伊·比科夫（Jay Bikoff）博士说，“在那里，有引发肌肉收缩的运动神经元，但这些神经元并非孤立工作。它们的活动由分子和功能多样化的中间神经元网络塑造。”

解开大脑与运动输出之间的复杂网络一直是神经科学研究的一个难题。虽然我们已经取得了巨大的进展，了解了不同脑区与运动控制的不同方面的关系，但这些脑区如何精确地连接到脊髓中的特定神经元仍然是一个盲点。中间神经元因其种类繁多且相互交织而难以研究。

“这就像解开一团圣诞灯串，只不过我们试图解开的是经过30亿年进化形成的复杂网络。”共同第一作者安南德·库尔卡尼（Anand Kulkarni）博士形象地比喻道。

研究方法

为了解析连接大脑与脊髓的神经回路，研究人员使用了一种经过基因改造的狂犬病毒，这种病毒缺少表面的关键蛋白质——糖蛋白，从而无法在神经元之间传播。这意味着病毒会在其起源处停滞不前。通过将糖蛋白重新引入特定的中间神经元群体，病毒可以跨过一个突触跳跃一次，然后再被“困住”。研究人员利用荧光标记追踪病毒的路径，从而确定哪些脑区与这些中间神经元相连。

研究人员将这种方法应用于V1中间神经元，这类神经元此前已被证明在塑造运动输出中起着关键作用。通过这种方法，他们能够准确追踪多个信号的来源，并将其追溯到大脑中的相应区域。

“我们只针对V1中间神经元，但实际上这是一个高度异质性的神经元群体。因此，我们决定尽可能多地靶向V1中间神经元，看看哪些脑区投射到它们身上。”比科夫解释道。

为了可视化这些神经元并生成三维参考图谱，研究人员采用了连续双光子断层扫描技术。该技术通过对脑组织进行数百微米厚度的切片，揭示出荧光标记的神经元。这个图谱使研究人员能够准确预测连接不同脑结构与脊髓及其中间神经元的网络。