В исследовании, опубликованном в Nature Neuroscience, ученые из Центра передового опыта в области науки о мозге и интеллектуальных технологий (CEBSIT) Китайской Академии наук вместе со своими сотрудниками сообщили о первом выпуске проектома всего мозга, включающего более 6000 отдельных нейронов в префронтальной коре мыши (PFC), что делает это самая большая на сегодняшний день база данных о цельномозговом однонейронном мышином проектоме.
Ученые идентифицировали 64 подтипа нейронов, определяемых проектомом, в PFC мыши и их пространственную организацию, модульность и иерархию связей внутри PFC, а также соответствие между подтипами нейронов, определяемыми транскриптомом и проектомом.
Информационный поток между различными областями мозга в коре головного мозга зависит от дальнодействующих аксональных проекций нейронов. Нейроны с различными моделями проекции часто участвуют в различных функциях мозга.
Поэтому изучение паттернов проекции отдельных нейронов имеет решающее значение для понимания организации и обработки информации в мозге. Реконструкция проектома всего мозга на уровне одного нейрона может идентифицировать новые подтипы нейронов и раскрыть правила подключения мозговой сети, что позволяет более систематически понимать, как работает мозг.
В настоящее время ученые по всему миру интенсивно работают над изучением проектома всего мозга на уровне одного нейрона.
В мозге ПФК является центром когнитивных функций высокого уровня, включая принятие решений, рабочую память и внимание. Аномалии и нарушения в работе ПФК могут вызывать многие психоневрологические заболевания. Аксональные проекции ПФК охватывают почти все области мозга, включая кору, полосатое тело, таламус, средний и задний мозг. Паттерны аксональной проекции нейронов в PFC на одноклеточном уровне все еще неясны, и модульная организация сети соединений внутри PFC еще предстоит раскрыть.
Реконструкция проектома всего мозга с разрешением в одну клетку 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 отнимающим много времени.
Чтобы решить эту проблему, доктор ГОУ Линфэн, исследователь из Dr. Лаборатория ЯНЬ Цзюня разработала программный пакет Fast Neurite Tracer (FNT). Это облегчило крупномасштабное исследование однонейронного проектома, позволив выполнять высокопроизводительную реконструкцию однонейронного проектома и анализировать данные световой микроскопической визуализации размером с туберкулез.
Сотрудничая с лабораторией доктора СЮЙ Нин-лонга в CEBSIT, лабораторией доктора ГУН Хуэя в Университете науки и технологий Хуачжун и многими лабораториями в CEBSIT, исследователи реконструировали полную морфологию аксонов в общей сложности 6357 одиночных нейронов PFC из данных оптической визуализации мозга 161 мыши и идентифицировали 64 определенных проектомом подтипы после количественной оценки сходства морфологии аксонов разных нейронов.
Затем исследователи нанесли на карту пространственное распределение этих подтипов нейронов в различных префронтальных субрегионах и кортикальных слоях. Они проанализировали сеть подключения внутри PFC и построили внутреннюю сеть PFC с высоким разрешением, раскрыв модульную и иерархическую структуру внутри PFC.
Исследователи также провели сравнительный анализ между подтипами нейронов, определяемыми транскриптомом, и подтипами нейронов, определяемыми проектомом. Используя ретроградную трассировку и одномолекулярную флуоресцентную гибридизацию in situ, они обнаружили, что каждый определенный транскриптомом подтип соответствует нескольким определенным проектомом подтипам.
Исследование показало, что программное обеспечение FNT эффективно для отслеживания одного нейрона в данных изображений размером с ТБ. Он также реконструировал однонейронный проектом мышиного ПФК и продемонстрировал рабочую модель ПФК путем изучения внутренней связи и паттернов эфферентной проекции ПФК, обеспечивая тем самым структурную основу для нейронных механизмов когнитивных функций ПФК высокого уровня. Таким образом, исследование закладывает основу для будущих исследований мезоскопических коннектомов всего мозга в модельных организмах.