中国科学家使用全自动显微成像方法——全脑定位系统，在单细胞水平解析了全脑内胆碱能神经元的定位分布和基底前脑胆碱能神经元的精细形态结构及投射图谱。该研究由华中科技大学骆清铭教授、龚辉教授领衔的全脑网络可视化团队与中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室仇子龙研究组合作完成，相关论文日前在线发表于《美国科学院院报》。
神经元研究受制于不精准图谱
胆碱能神经元是脑内一群重要的调制类神经元，分布在基底前脑和脑干等多个脑区。这类神经元通过其广泛的轴突纤维投射释放乙酰胆碱，调控皮层、海马和皮层下核团的神经活动，参与运动、睡眠，以及情感与记忆等多种功能。胆碱能神经元的功能异常与老年痴呆、睡眠及认知障碍等多种神经系统疾病有关，相关机制研究已成为目前医学与神经科学领域的热点之一。
胆碱能神经元的数目、分布及形态结构信息，是研究这类神经元功能的关键因素。其中，胆碱能神经元的数目被认为与神经退行性疾病有关。以往的研究中，通过传统的二维组织切片只能获取胆碱能神经元的主要分布脑区，粗略估算神经元的数目。由于一直没有找到合适的成像方法和标记技术，无法生成神经元的完整形态结构信息，因此科研人员一直没有精确的胆碱能神经元全脑三维分布图谱可以使用。
更让科研人员苦恼的是，胆碱能神经元通过其广泛的长程轴突投射调控皮层和皮层下多个核团，却始终不知其如何调控众多的核团。尽管此前已经有人提出了一些连接模型和假说来描述胆碱能神经环路，但由于缺乏单神经元分辨率的完整形态数据，这些模型均无法准确描述胆碱能神经元与其他脑区和神经元的连接模式。
“我们看到一个神经元横跨全脑”
为获取全脑内胆碱能神经元的分布图谱和精细形态信息，研究人员利用显微光学切片断层成像系统，结合荧光蛋白特异性标记胆碱能神经元的小鼠模型及病毒标记技术，获取了世界上第一套完整的胆碱能神经元三维全脑分布图谱。该图谱包含了小鼠胆碱能神经元在21个脑区内的分布数目、胞体大小及胞体密度等多种信息，为相关功能研究提供了解剖学参考。
在此基础上，研究人员还成功重建了小鼠基底前脑50个胆碱能神经元的完整形态，并基于遗传标记、连接组和形态学参数进行了神经元分类。通过分析这些神经元的投射脑区，研究人员提出了单个胆碱能神经元调控下游脑区的新模型，为理解胆碱能神经元如何调控神经活动提供了新的参考，也为神经元划分亚类提供了新的启示。
“以前没有大规模全脑重建技术，我们无法知道千姿百态的神经元究竟有哪些类别。”仇子龙研究员说，“现在通过一个一个神经元的重建，知道它可根据投射的模式分成这么多的类别。在小鼠脑里，我们看到一个神经元就能够横跨全脑，可以想象在灵长类动物的大脑里，神经元形态将更为复杂。”（作者 耿挺）