感覺運動轉(zhuǎn)換（sensorimotor transformation）是將感覺信息轉(zhuǎn)換為運動的神經(jīng)過程，對大腦啟動本能行為至關(guān)重要。盡管人們對感覺運動轉(zhuǎn)換的神經(jīng)環(huán)路機制和計算模型已有一定了解，其潛在的分子遺傳編碼機制幾乎完全未知。

2021年7月28日，北京生命科學(xué)研究所曹鵬課題組和中科院生物物理研究所王曉群課題組合作，在生命科學(xué)著名刊物 Elife 上在線發(fā)表了題為“Transcriptomic encoding of sensorimotor transformation in the midbrain”的研究論文。該研究以中腦上丘（superior colliculus, SC）這一參與早期感覺運動轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵腦區(qū)為對象，聯(lián)用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序和神經(jīng)環(huán)路功能分析的兩種方法，揭示了大腦啟動攻擊/防御行為的分子遺傳編碼機制。研究者首先應(yīng)用單細胞測序技術(shù)鑒定了位于不同層面的上丘神經(jīng)元的標(biāo)志基因。其中Cbln2 和Pitx2 基因分別特異地標(biāo)記了上丘視神經(jīng)層（optic nerve layer，Op）和中間灰質(zhì)層層（intermediate gray layer，InG）的谷氨酸能投射神經(jīng)元。神經(jīng)環(huán)路功能分析進一步表明這兩類神經(jīng)元分別參與了截然不同的兩個感覺運動轉(zhuǎn)換過程：依賴于視覺的躲避天敵的本能防御行為和依賴于觸覺的捕食獵物的本能行為。

單細胞測序手段首次應(yīng)用于中腦上丘神經(jīng)元的分型研究

研究者首先通過10X Genomics對14,892個上丘細胞進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序。根據(jù)經(jīng)典的標(biāo)志基因，將上丘細胞分為興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)前體細胞、小膠質(zhì)細胞、內(nèi)皮細胞、纖毛細胞和腦膜細胞。然后分別將興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元進一步劃分為9個和10個亞簇。為了解析環(huán)路特異性的遺傳編碼機制，研究者分別在vGlut2-IRES-Cre小鼠上丘的下游腦區(qū)LPTN （lateral posterior thalamic nucleus，外側(cè)后下丘腦核）和ZI（zona incerta，未定帶） 注射AAV2-retro-DIO-EGFP病毒。發(fā)現(xiàn)投射到LPTN和ZI的上丘谷氨酸能神經(jīng)元分別位于上丘的Op層和InG層。通過對表達EGFP的細胞進行Patch-Seq和單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，研究者進一步發(fā)現(xiàn)了投射至LPTN的上丘Op層神經(jīng)元以及投射至ZI的上丘InG層神經(jīng)元的標(biāo)志基因。其中Cbln2和Pitx2分別特異性地在這兩類神經(jīng)元中表達。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元是躲避天敵和捕食獵物本能行為所必須的

研究者隨后構(gòu)建了特異標(biāo)記Cbln2+神經(jīng)元的Cbln2-IRES-Cre小鼠，并采用了能夠特異標(biāo)記Pitx2+神經(jīng)元的Pitx2-Cre小鼠。分別通過在這兩種Cre品系的上丘注射AAV-DIO-EGFP-2A-TeNT病毒特異性阻斷上丘Cbln2+細胞和Pitx2+細胞的突觸傳遞，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Op層的Cbln2+細胞是小鼠啟動依賴于視覺的躲避天敵本能防御行為所必須的，而上丘InG層的Pitx2+是依賴于觸覺的捕捉獵物本能行為所必須的。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元分別編碼天敵的視覺信息和獵物的觸覺信息

通過在Cbln2-IRES-Cre小鼠上丘Op層和Pitx2-Cre小鼠上丘InG層注射AAV-DIO-GCaMP7病毒并進行光纖記錄，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Cbln2+細胞對視覺刺激有較強反應(yīng)，而對胡須觸覺刺激無顯著反應(yīng)。上丘Pitx2+細胞對胡須觸覺刺激有較強反應(yīng)，而對視覺刺激無顯著反應(yīng)。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元接受完全不同的神經(jīng)輸入

通過RV tracing的方法，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Cbln2+神經(jīng)元接受初級視覺皮層以及對側(cè)視網(wǎng)膜的輸入，而上丘Pitx2+神經(jīng)元則接受初級觸覺皮層以及介導(dǎo)頭面部觸覺的三叉神經(jīng)復(fù)合體Pr5等的輸入。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元通過不同的神經(jīng)環(huán)路啟動本能行為

研究者通過對上丘Op層的Cbln2+細胞和InG層的Pitx2+的投射進行追蹤，發(fā)現(xiàn)這兩類細胞有著截然不同的投射腦區(qū)。通過在這兩類細胞中表達ChR2，研究者發(fā)現(xiàn)光激活上丘Op層的Cbln2+細胞在LPTN的投射可以觸發(fā)小鼠出現(xiàn)類似于躲避天敵的僵直（freezing）行為，而光激活上丘InG層的Pitx2+細胞在ZI的投射則可以促進小鼠的捕食獵物行為。

綜上所述，此研究揭示了中腦上丘參與不同本能行為的神經(jīng)環(huán)路的遺傳編碼機制。審稿人認為此項研究為后續(xù)領(lǐng)域內(nèi)研究中腦上丘神經(jīng)環(huán)路功能的遺傳編碼機制打下了很好的研究基礎(chǔ)，是單細胞測序技術(shù)研究大腦神經(jīng)環(huán)路功能的一個典范。

本文通訊作者為北京師范大學(xué)吳倩教授、北京生命科學(xué)研究所的曹鵬研究員和中科院生物物理研究所的王曉群研究員。曹鵬課題組的博士后謝志勇、王曉群組博士研究生王夢迪和劉澤源、廣州生物島實驗室的尚從平研究員是研究論文的共同第一作者。這項研究也得到了北京腦科學(xué)與類腦研究中心羅敏敏實驗室的大力支持，羅敏敏實驗室自主開發(fā)的稀疏標(biāo)記技術(shù)為這項研究提供了很大的支持和幫助。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等基金項目的支持。

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https://elifesciences.org/articles/69825#content

來源：NIBS