多模式綜合分析對小鼠視覺皮層GABA能神經元的重新分類

2020-11-14 BioArt

撰文 | Qi

責編 | Yan


哺乳動物的大腦包含數百萬，甚至數十億的神經元，正如「世界上沒有兩片樹葉是完全相同的」，任何神經元都是獨一無二的存在。然而，神經元會根據特定框架劃分為不同類型，用於了解細胞和環路如何支配大腦行使功能。繼單細胞測序（single cell RNA sequencing, scRNA-seq）之後，諸如Patch-seq的新方法能夠直接將特定神經元的轉錄組特徵與它的其他識別特徵相關聯，例如神經元的精確定位、形態和固有電生理特徵，這將有助於揭示細胞多樣性的本質和基本規則，並增進我們對神經元和環路功能的理解【1,2】。


2020年11月12日，來自美國艾倫腦科學研究所的Gabe J. Murphy課題組在Cell雜誌上發表了一篇題為Integrated Morphoelectric and Transcriptomic Classification of Cortical GABAergic Cells 的文章，這項研究共表徵了超過4200個小鼠視覺皮層GABA能中間神經元的轉錄組和內在生理特性，並重建517個中間神經元的局部形態。通過多模式綜合分析，共定義28種MET-types（morphological/electrophysiological/transcriptomic types），它們具有一致的形態學，電生理學和轉錄組學的特性，並且具有強大的相互可預測性。這些MET-types代表了皮質GABA能中間神經元類型的統一定義，並提供了一個系統的框架以跨不同形式捕獲現有知識並橋接未來分析。



為了建立小鼠皮質神經元的電生理學，形態學和轉錄組學特徵之間的直接對應關係，作者建立了標準化流水線以從單個細胞的所有三種模式中提取高質量數據（見圖1）。首先，給定轉錄組類型（transcriptomic types, t-types）的電生理特性的同質和異質性如何？作者分析了所有4270個神經元對由矩形脈衝電流注入組成的標準化電流協議的電生理反應。根據這些測量，作者計算了12個「特徵向量」，捕獲了諸如動作電位形狀，對表示凹陷電勢的超極化電流的歸一化響應等屬性。對每個特徵向量進行稀疏主成分分析（sparse principal-component analysis, sPCA），鑑定出一組44個sPCs以表徵細胞的電生理特性。緊接著，作者對來自GABA能神經元Sst，Pvalb，Vip，Sncg和Lamp5子集的已完成轉錄組學和電生理學表徵的517個細胞進行形態分析，觀察到具有明顯樹突和軸突分布模式的轉錄組類型。


圖1. Patch-seq數據收集和處理流水線示意圖


通過對轉錄組學，形態學和電生理學的關聯分析，作者發現某些給定t-types神經元具有一致的電生理和形態學特徵，而某些則表現出異質性。因此，作者對517個細胞進行無監督的聚類分析，定義並分組了具有上述三種相似特性的28種形態/電生理/轉錄組細胞類型（MET-type）。那麼是否可以根據電生理和形態學特徵來預測t-type或MET-type呢？為此，作者通過訓練監督分類器發現使用電生理和形態學相結合的MET-type預測（78%）比t-type預測（62％）具有更高的準確度。


接下來，作者分析了這些MET-types的特徵，在Pvalb子集和Lamp5子集中分別確定了5種和2種MET-types，在Sst子集中共確定了13種MET-types等，其數量遠遠超過先前單純通過形態學或電生理學鑑定出的細胞類型。出乎意料的是，每個子集中幾乎所有MET-types都沿著皮層深度排列，每種類型的胞體和軸突位置通常集中在特定層，這是MET-types之間的標誌性區別。例如，Sst-MET-3和Sst-MET-4分別主要包含映射到在L2/3皮質層或L5皮質層的Sst Calb2 Pdlim5細胞；Pvalb-MET-4包含同時映射到Pvalb Reln Itm2a和Pvalb Tpbg的細胞，主要由L4和L2/3快閃細胞組成等。這些發現揭示了皮質GABA能神經元多樣性的複雜模式和一些基本規則，這可能會推廣到其他腦細胞類型的研究。


總的來說，通過這項研究我們可以得出這樣一個結論，即多模式綜合分析是區分神經元類型的一種有效方法。除了形態學，轉錄組學和電生理學之外，有關細胞和環路特性的其他信息將繼續完善中間神經元基團的識別，例如蛋白質組學信息的添加，局部和遠程突觸連通性以及體內功能表徵等。隨著大規模電子顯微圖像的可用性，很快將能夠跨數據集映射形態表型，以了解轉錄組、形態和電生理表型與連通性譜之間的關係。



原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.057


製版人：十一


參考文獻

1, Fuzik, J., Zeisel, A., Ma ´ te ´ , Z., Calvigioni, D., Yanagawa, Y., Szabo ´ , G., Linnarsson, S., and Harkany, T. (2016). Integration of electrophysiological recordings with single-cell RNA-seq data identifies neuronal subtypes. Nat. Biotechnol. 34, 175–183.

2, Cadwell, C.R., Palasantza, A., Jiang, X., Berens, P., Deng, Q., Yilmaz, M., Reimer, J., Shen, S., Bethge, M., Tolias, K.F., et al. (2016). Electrophysiological, transcriptomic and morphologic profiling of single neurons using Patch-seq. Nat. Biotechnol. 34, 199–203.

相關焦點

  • 皮質GABA能細胞的整合形態和轉錄組分型
    皮質GABA能細胞的整合形態和轉錄組分型 作者：小柯機器人 發布時間：2020/11/14 23:37:45 皮質GABA能細胞的整合形態和轉錄組分型，這一成果由美國艾倫腦科學研究所Gabe J.
  • Nature:視覺皮層單細胞投影的邏輯
    從初級視覺皮層到其靶向的投射神經元軸突的追蹤顯示這些神經元經常投射到小鼠大腦的多個皮質區域。【題目】視覺皮層單細胞投影的邏輯【摘要】皮層區域通過廣泛的軸突投射進行交流，但信息傳遞的邏輯仍然知之甚少，因為單個神經元的投射還沒有系統的被描述。目前還不知道單個神經元是僅向單個皮層區域發送投射還是將信號投射在多個靶點上。
  • Nature | 視皮層神經元方向選擇性的空間連接特徵
    ，研究人員使用皮層興奮性神經元表達綠色鈣指示劑GCaMP6的CaMK2a-GCaMP6轉基因小鼠及抑制性神經元表達紅色螢光蛋白的GAD2-NLS-mCherry小鼠，並通過電穿孔技術將修飾後的狂犬病毒受體TVA、糖蛋白等表達進入該神經元(圖1)。
  • 聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制
    負責該項目的研究人員對皮層大量神經元活動進行記錄和統計分析，發現在聽覺皮層中存在範疇抉擇相關的單細胞反應，並且，聽覺皮層神經元的信息編碼會根據任務需要發生動態變化。這種神經編碼的動態變化在群體水平有利於把連續的感覺信息轉化為任務相關的範疇信息。研究人員通過對群體神經元活動的解碼，也驗證了任務狀態下聽皮層神經元活動能夠準確預測小鼠執行聽覺範疇分類任務的表現。
  • 研究揭示聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制
    該研究通過在頭部固定小鼠中建立一套聽覺相關的抉擇行為任務，同時使用雙光子成像技術記錄清醒小鼠的聽覺皮層第2/3層群體神經元的反應，解析了對感覺信息進行範疇化（categorization）的皮層神經元群體運算機制。負責該項目的研究人員對皮層大量神經元活動進行記錄和統計分析，發現在聽覺皮層中存在範疇抉擇相關的單細胞反應，並且，聽覺皮層神經元的信息編碼會根據任務需要發生動態變化。
  • 華中大教授《自然》發文,讓科學家重新思考大腦如何傳遞信息
    近日，基礎醫學院韓芸耘教授通過對小鼠視覺皮層進行單神經元分析，揭示了一個令人意想不到的大腦信息傳遞模式，該研究在神經科學領域引起了震動。3月29日，頂級學術期刊《自然》在線發表了這項歷時3年多的研究成果。
  • 聽覺皮層和運動皮層建立的連接,神經元發揮增強效果·抑制功能
    實驗小組用小鼠作為目標，在大腦上設立了一套虛擬實境設備，通過這套設備，可以和的小鼠大腦連接，控制它所能夠聽到的聲音的源頭，也就是說我們現在能夠遙控地操縱小鼠的聽覺系統，使得它總是聽到我們希望它所聽到的聲音。
  • 研究揭示細胞自主性調節皮層神經元極化的新機理
    該研究揭示，Wdr47蛋白通過影響Camsap家族蛋白的亞細胞定位選擇性地調節微管動態性，從而調控胚胎發育過程中皮層神經元的極化。神經元(神經細胞)是神經系統的基本結構和功能單元。它們通常具有多根短而粗的樹突以及一根長而細的軸突分別用於接收和輸出生物信號。因此，神經元不論在形態還是功能上都是高度極性化的。神經元發育異常會導致精神或運動性疾病。
  • PNAS:新技術助力深部視覺皮層的功能超聲成像|056期
    我們發現，在獼猴丘腦後側的特定腦區中的神經元編碼了視覺物體的歷史價值記憶。這些價值編碼神經元多位於膝上核（SGN）中。這個丘腦區域直接從上丘（SC）接受解剖輸入，並且其神經元顯示的視覺反應具有對側偏好。值得注意的是，這些丘腦神經元的價值辨別活動在學習過程中增加，學習後的價值甚至在學習後200天內仍保持穩定。
  • Nature | 靈長類動物中間神經元的新發現
    首先，採樣了狨猴的7個皮層區域，在這7個不同區域中均存在17種相同的基本中間神經元類型，而這些保守型的基因表達模式卻因狨猴的皮質區域而異。, smFISH）分析再次驗證整個狨猴新皮層中PVALB+中間神經元中ASS1和CRYM基因也存在空間分級表達。
  • 朱學良課題組揭示細胞自主性調節皮層神經元極化的新機理
    該研究揭示，Wdr47蛋白通過影響Camsap家族蛋白的亞細胞定位選擇性地調節微管動態性，從而調控胚胎發育過程中皮層神經元的極化。神經元(神經細胞)是神經系統的基本結構和功能單元。它們通常具有多根短而粗的樹突以及一根長而細的軸突分別用於接收和輸出生物信號。因此，神經元不論在形態還是功能上都是高度極性化的。神經元發育異常會導致精神或運動性疾病。
  • 上海生科院通過單細胞RNA測序對軀體感覺神經元重新分類
    ，可對小鼠背根神經節初級感覺神經元進行分類，又通過全細胞膜片鉗在體記錄結合單細胞PCR方法可檢測各類初級感覺神經元對外周皮膚刺激的反應。該工作首次通過高覆蓋的單細胞測序對初級感覺神經元進行了重新分類，並且建立了基因表達與在體功能的相互關係。　　神經元表達的基因多於其它類型的細胞，導致了神經元具有很高的異質性。外周感覺神經元是假單極神經元，負責將外周感覺信號傳遞到脊髓。
  • 解析清醒獼猴次級視覺皮層神經元感受野的空間結構
    該研究結合電生理記錄和計算模型相，獲得了清醒獼猴V2區不同類型神經元感受野的精細空間結構，此外該研究還通過光學成像揭示了這些神經元在V2皮層區的分布。   視覺感知依賴於大腦中多個區域對外部視覺圖像的處理。要理解視覺信息的加工過程，則需要知道每一級腦區中單個神經細胞的感受野，即單個神經元是如何編碼和處理視覺信號的。
  • 分子細胞卓越中心揭示細胞自主性調節皮層神經元極化的新機理
    該研究揭示，Wdr47蛋白通過影響Camsap家族蛋白的亞細胞定位選擇性地調節微管動態性，從而調控胚胎發育過程中皮層神經元的極化。　　神經元(神經細胞)是神經系統的基本結構和功能單元。它們通常具有多根短而粗的樹突以及一根長而細的軸突分別用於接收和輸出生物信號。因此，神經元不論在形態還是功能上都是高度極性化的。神經元發育異常會導致精神或運動性疾病。
  • 大腦可塑性比想像的強:用光刺激神經元,讓小鼠大腦產生了幻覺
    研究人員只需刺激其部分神經元，小鼠就好像感知到了某些不存在的東西，這意味著，大腦的可塑性可能遠比我們所認為的要強。 在小鼠觀察到圖像並將信息傳輸進大腦時，只有極少數的細胞參與了這一過程。「在這種情況下，為什麼我們不會時刻產生視幻覺呢？」這項研究的通訊作者卡爾·德瑟羅斯提出了這一問題。
  • 揭示外側OFC對S1的指導在小鼠的靈活決策中發揮著重要作用
    適應性行為的一個重點是價值引導的決策（value-guided decision making），即動物可根據過去得到的獎賞反饋情況靈活地改變自身的行為模式。行為靈活性的降低是自閉症、精神分裂症等疾病的症狀之一。在哺乳動物中，前額葉皮層（prefrontal cortex）在靈活的決策行為中起著重要的作用，特別是其中的眼眶額葉皮層（orbitofrontal cortex，OFC）。
  • 我國科學家揭示聽覺皮層編碼聽覺認知的新機制—新聞—科學網
    徐寧龍告訴《中國科學報》記者：「由於我們的大腦接每天接收到客觀世界的海量的感覺信息，而我們能夠形成的概念和採取的行動則數目卻非常有限。為了形成有意義的認知來指導我們的行為，我們的大腦需要對這些信息進行高效的組織管理，而其中最基本的過程就是範疇化。」 徐寧龍說，「『範疇化』簡單地說，就是『分類』」。
  • 運動皮層的神經元種群動態因伸握行為的不同而不同
    赴美看病服務機構和生元國際了解到，芝加哥大學(University of Chicago)研究人員的一項新研究發現，在觸摸和抓握行為中，運動皮層中的神經元數量動態變化非常不同，這挑戰了一個流行的理論，即內在的動態模式控制著運動行為。