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《Nature》在线发表东南大学团队科研成果

2021-10-0913

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【东大新闻网10月9日电】(通讯员 丁莉雅 刘力娟)10月6日,国际顶级刊物《Nature》主刊在线发表文章“Morphological diversity of single neurons in molecularly defined cell types”(分子定义细胞类型中单个神经元的形态多样性)。该研究工作由东南大学脑科学与智能技术研究院教授彭汉川、生命科学与技术学院教授谢维和生物科学与医学工程学院顾忠泽教授团队,联合美国艾伦脑科学研究所及国内外多家单位合作,共同研究脑图谱以及全脑神经元的形态多样性。彭汉川教授团队为第一作者,彭汉川与艾伦脑科学研究所曾红葵教授为共同通讯作者。

神经元-大脑行使功能的基本单位,其3D结构特征不仅揭示神经信号的流动从而反应神经网络连接,而且是鉴定细胞类别的重要参数。全脑神经元的解析是脑科学研究的重要方向。小鼠是研究脑科学的重要模式动物,其大脑拥有上亿个神经元,全脑神经元结构庞大,如某些鼠脑皮层细胞可跨越至另一半球,且分枝繁多,总长度可达40cm左右;神经元分枝间的交错以及标记信号的微弱,综上等因素都使快速准确重建神经元十分困难。

如何高通量的重建全脑神经元一直是瓶颈,导致科学家们对其多样性的了解仍是有限的。本研究建立了一套完整的平台包括神经元的稀疏标记,全脑成像,高通量神经元重建,配准以及分析,并基于此平台生产了目前世界上数目最大的1741单细胞神经元数据集。神经元的稀疏标记由艾伦脑科学研究所曾红葵团队完成并交由华中科技大学骆清铭教授(现海南大学)和龚辉教授团队提供fMOST神经元成像,东南大学负责所有数据管理、计算和分析。部分工作中,高通量神经元的重建与分析应用了东大脑智院和上海大学王宜敏博士团队合作研发的三维可视化平台Vaa3D-TeraVR,神经元重建流程以及图像配准算法mBrainAligner由东大脑智院和安徽大学屈磊教授团队合作研发(fig.1)。多家单位包括东南大学、美国艾伦研究所、中国温州医科大学、腾讯公司等都参与了数据大规模生产和质量控制。

Fig1,脑科学中心自主研发的全脑神经元重建以及分析平台

  文章报道了目前全世界最大的1741鼠脑神经元数据集,包含来自皮层,屏状核,纹状体和丘脑等脑区神经元。本文鉴定了:11种主要的投射神经元类型,它们具有不同的形态学特征和相应的转录组特征;主要类型内部发现了丰富的神经元投射类型,可以聚类成更精细的子类型。神经元的多样性符合多水平调控长程投射的规则,包括分子水平、发散或收敛投射模式、轴突末端模式、脑区特异性、拓扑结构和单细胞差异性。

单细胞多样性与转录组谱水平定义的亚型细胞类别没有明确的相关性,突出了单细胞水平交叉模式研究的重要性。单细胞形态多样性的优势揭示了神经细胞类别的丰富,也反映了单个神经元各自在功能环路中的独特功能,因此我们的研究有力的证明了量化的完整单细胞解剖学分析对神经细胞类型鉴定是至关重要的(fig.2)。

Fig.2 单细胞的投射多样性

此外,在《Nature》同期发表的两篇文章 “A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex(哺乳动物初级运动皮层的多模式细胞普查和图谱)”,“Cellular anatomy of the mouse primary motor cortex(小鼠初级运动皮层的细胞解剖)”,彭汉川团队都为脑神经元重建与数据智能分析做出了重要贡献,为文章的共同作者。


供稿:脑科学与智能技术研究院


(责任编辑:翟梦杰  审核:宋业春)