作为神经系统的基本功能单位，神经元通过复杂的轴突投射与下游神经元形成突触连接，协同不同脑区的活动。绘制和解析神经元在生理和病理条件下的联接图谱，对于理解神经环路的组织规律、探究认知等功能机制具有重要意义。近年来，科学家们在单神经元水平对神经环路结构进行解析已取得了长足的进步，然而，如何在获知神经投射的全脑靶区信息时，还能进一步明确特定类型神经元的轴突是否形成了突触，仍具有巨大的技术挑战。

9月26日，骆清铭院士团队在《美国科学院院报》（PNAS）在线发表了研究论文“Dissection of the long-range projections of specific neurons at the synaptic level in the whole mouse brain”，在正常与阿尔兹海默症（AD）模型鼠中分别解析了基底前脑神经元的长程投射模式。

该研究解决了全脑高分辨率数据集获取与分析中样本制备等环节的技术难点，实现了多种荧光蛋白的微弱信号保持，利用团队自主研发的荧光显微光学切片断层成像技术（fluorescence micro-optical sectioning tomography, fMOST），以0.23 μm × 0.23 μm × 1 μm体素分辨率获取了全脑连续数据集，分析了神经环路的投射模式和关键脑区内突触前结构的分布规律。结果显示，基底前脑小清蛋白（Parvalbumin, PV）神经元广泛支配皮层、皮层下核团，突触前结构密集分布于海马、压后皮质、丘脑和乳头体等多个脑区，并在脑区内呈现亚区偏好性分布，如海马背外侧、乳头体背内侧、压后皮质第五层。对8月龄AD模型小鼠的研究中，发现PV神经元的突触前结构在海马、丘脑和内侧乳头体等学习记忆相关区域发生明显丢失，但与所在区域内神经元数目和淀粉样斑块的负荷无关，提示AD中神经元的轴突退化机制可能涉及环路的多个脑区。
 

综上所述，该研究建立了在突触水平解析特定类型神经元长程投射模式的研究方法，绘制了基底前脑PV神经元带有突触信息的全脑投射图谱，并探究了其在AD的退行变化，为解析生理和病理条件下特定类型神经元全脑突触连接模式提供了新的思路。
 

图1. 基底前脑PV神经元的突触水平长程投射模式。（A）全脑长程投射信息获取流程。（B）突触前结构沿轴突的不均匀分布。（C）全脑三维展示基底前脑PV神经元的轴突和突触前结构的分布。（D）基底前脑PV神经元投射模式汇总图。红色线条表示投射路径；不同颜色深浅表示突触前荧光亮度占全脑的比例；三角形数目表示突触前末梢的密度。（E）突触前结构在压后皮质（RSP）、内侧乳头体（MM）和海马（HIP）中的三维分布。
 

博士生田娇娇、任淼博士后、博士生赵陪嶙为并列第一作者，骆清铭院士、李向宁教授和龚辉教授为并列通讯作者，骆树康、陈莹莹、徐晓峰博士、江涛博士、孙庆涛博士、李安安教授为共同作者。
 

该研究得到科技创新2030重大项目(No. 2021ZD0201001)和国家自然科学基金项目(No. 81827901、32192412和31871088)资助。
 

关于MOST

显微光学切片断层成像(Micro-Optical Sectioning Tomography，MOST)和荧光显微光学切片断层成像(fluorescence Micro-Optical Sectioning Tomography，fMOST)系列设备能对生物大样本进行亚微米水平三维成像，不仅可以获得单细胞分辨的全脑神经连接图谱、定位神经环路、追踪单神经元长程投射、构筑血管网络三维拓扑结构；还可用于细胞空间定量分析、单细胞形态学分析，全器官蛋白质及基因表达空间定位。MOST技术适用于多种模式生物的全器官或组织三维结构可视化，在基础科学研究、病理机制研究、药物筛选与评估、生物3D打印、三维解剖学数据库构建等领域发挥极大作用。

关于沃亿

沃亿生物基于显微光学切片断层成像(MOST)技术的系列仪器设备，在国际上率先建立了可对厘米大小样本进行亚微米水平精细结构三维成像，填补了核磁共振成像和电子显微镜之间的空白。该技术获得2011年度中国科学十大进展，2014年获得国家技术发明二等奖，2019年参加中华人民共和国成立70周年大型成就展。