Nature | 解析功能异质性皮层神经元的全脑突触前网络

摘要：近日，美国国立精神卫生研究所（National Institute of Mental Health, NIH）的Soohyun Lee和Ana R. Inácio团队在Nature上发表了文章Brain-wide presynaptic networks o

撰文 | eternallj

在探索大脑如何支持行为的过程中，理解单个神经元的连接模式是关键。然而，关于个体神经元突触前连接规则的系统性研究仍然较少。

近日，美国国立精神卫生研究所（National Institute of Mental Health, NIH）的Soohyun Lee和Ana R. Inácio团队在Nature上发表了文章Brain-wide presynaptic networks of functionally distinct cortical neurons，揭示了功能不同的皮层神经元在全脑范围内的突触前网络特征。

大脑皮层神经元的功能呈现高度异质性，即使是在初级感觉皮层（如体感皮层S1），它们对感知刺激和行为状态的选择性仍然存在显著差异。研究表明，行为状态（如自发运动）会影响神经元的活动模式，但其背后的突触前连接规则尚不清楚。该研究采用双光子钙成像、神经药理学、单细胞单突触输入追踪和光遗传学技术，以小鼠初级体感皮层（S1）为模型，解析了与行为状态相关和无关的神经元在突触前连接上的差异。

研究发现，S1中与行为状态相关的神经元，其活动模式在时间上具有高度稳定性，并且主要受谷氨酸能输入驱动，而非胆碱能或去甲肾上腺素能输入。同时，研究通过单细胞单突触输入追踪技术绘制了功能不同神经元的全脑突触前网络。结果表明，行为状态相关神经元和无关神经元在S1内部的局部输入模式大体相同，但远程谷氨酸能输入存在显著不同。具体而言，行为状态相关神经元接受较少的运动皮层（M1/M2）输入，却接受了更多的丘脑输入。进一步通过光遗传学抑制丘脑输入，发现S1的行为状态相关神经元活动显著下降，但这一活动并非完全由外部感知输入驱动，而是可能与既定的网络动力学有关。

为了验证这些远程输入在神经元活动调控中的作用，研究者利用光遗传学技术分别抑制了丘脑和运动皮层对S1的输入。实验结果表明，抑制丘脑输入显著降低了S1行为状态相关神经元的活动，而抑制运动皮层输入的影响较小。这一发现表明，丘脑输入在调控S1神经元的行为状态相关活动中起到关键作用，并且该活动并非由直接的感觉反馈驱动，而是依赖于特定的远程输入模式。

该研究为皮层神经元的功能特异性提供了一种结构性解释，即不同功能的神经元在全脑范围内表现出特定的突触前输入模式。这不仅有助于理解大脑如何整合感觉信息与行为状态，还可能为运动障碍、丘脑相关疾病等神经系统疾病的研究提供新思路。研究进一步强调了皮层-丘脑环路在调控自发行为中的重要作用，也为未来探索这些神经环路如何受到学习、神经调控和疾病状态的影响提供了方向。

研究采用先进的成像与神经调控技术，从单细胞水平解析了皮层神经元的功能与结构联系。结果表明，神经元对行为状态的响应并非随机，而是受到特定远程输入的调控。随着神经科学研究的深入，这些发现有望为脑功能的解析和临床应用提供新思路。

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