В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience , ученые из Центра передового опыта в области наук о мозге и интеллектуальных технологий (CEBSIT) Китайской академии наук вместе со своими сотрудниками сообщили о первом выпуске проекта всего мозга, состоящего из более чем 6000 отдельных нейронов. в префронтальной коре (ПФК) мышей, что делает ее крупнейшей на сегодняшний день базой данных мышиных проекций всего мозга с одним нейроном.

Ученые определили 64 определяемых проектомом подтипа нейронов в префронтальной коре мыши и их пространственную организацию, модульность и иерархию связности внутри префронтальной коры, а также соответствие между подтипами нейронов, определяемыми транскриптомом и определяемыми проекцией.

Информационный поток между различными областями мозга в коре головного мозга зависит от дальних аксонных проекций нейронов. Нейроны с разными паттернами проекции часто участвуют в различных функциях мозга.

Поэтому изучение паттернов проекции отдельных нейронов имеет решающее значение для понимания организации и обработки информации в мозгу. Реконструкция проекции всего мозга на уровне отдельных нейронов может идентифицировать новые подтипы нейронов и раскрыть правила проводки сети мозга, что позволит более систематически понять, как работает мозг.

В настоящее время ученые всего мира интенсивно работают над изучением проекции всего мозга на уровне отдельных нейронов.

В головном мозге префронтальная кора является центром высокоуровневой когнитивной функции, включая принятие решений, рабочую память и внимание. Аномалии и нарушения работы префронтальной коры могут вызывать многие нервно-психические заболевания. Аксональные проекции префронтальной коры охватывают почти все области мозга, включая кору, стриатум, таламус, средний и задний мозг. Паттерны аксональных проекций нейронов в префронтальной коре на уровне одной клетки все еще неясны, и модульная организация сети соединений в префронтальной коре еще не раскрыта.

Реконструкция проекции всего мозга с разрешением одной клетки в мозге млекопитающих является сложной задачей и требует непрерывного отслеживания отдельных нейронов один за другим с использованием крупномасштабных данных световой микроскопии размером с ТБ в 3D. Весь процесс отслеживания является трудоемким, чрезвычайно сложным и требует много времени.

Чтобы решить эту проблему, доктор Гоу Линфэн, исследователь из лаборатории доктора Яна Цзюня, разработал программный пакет Fast Neurite Tracer (FNT). Это облегчило крупномасштабное исследование проекций одиночных нейронов, позволив высокопроизводительную реконструкцию проекций одиночных нейронов и анализ данных световой микроскопии размером с TB.

В сотрудничестве с лабораторией доктора Сюй Нин-луна в CEBSIT, лабораторией доктора GONG Hui в Хуачжунском университете науки и технологии и многими лабораториями в CEBSIT исследователи реконструировали полную морфологию аксонов в общей сложности 6357 одиночных нейронов префронтальной коры на основе данных оптической визуализации. мозга 161 мыши и идентифицировали 64 определяемых проектомом подтипа после количественной оценки сходства морфологии аксонов разных нейронов.

Затем исследователи нанесли на карту пространственное распределение этих подтипов нейронов в различных префронтальных субрегионах и слоях коры. Они проанализировали сеть соединений внутри PFC и построили сеть внутри PFC с высоким разрешением, выявив модульную и иерархическую структуру внутри PFC.

Исследователи также провели сравнительный анализ подтипов нейронов, определяемых транскриптомом и проектомом. Используя ретроградное отслеживание и флуоресцентную гибридизацию одиночных молекул in situ, они обнаружили, что каждый подтип, определяемый транскриптомом, соответствует множеству подтипов, определяемых проекцией.

Исследование показало, что программное обеспечение FNT эффективно для отслеживания отдельных нейронов в данных изображений размером с TB. Он также реконструировал проекцию одного нейрона префронтальной коры мыши и продемонстрировал рабочую модель префронтальной коры путем изучения внутренней связи и эфферентных проекционных паттернов префронтальной коры, тем самым обеспечив структурную основу для нейронных механизмов высокоуровневых когнитивных функций префронтальной коры. Таким образом, исследование закладывает основу для будущих исследований мезоскопических коннектомов всего мозга у модельных организмов.