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Current Biology | 单细胞测序与解剖学分析灵长类脑部纹状体神经元多样性
发布时间:2021/11/9 9:46:36
 

纹状体是基底神经节的主要输入核,是多巴胺奖赏信号与皮质-基底神经节-丘脑-皮质环路的主要神经接口。纹状体对于信息处理依赖特定的神经回路。其中,中型多棘神经元 (MSNs) 占纹状体神经元中的绝大多数,传统主要分为直接路径D1型和间接路径D2型。但是这个大致的划分没有办法解释纹状体神经回路和功能的多样性。尤其是灵长类动物的纹状体结构和功能比较复杂。MSN的多样性和分布不清楚。了解特定细胞型的神经回路对于理解纹状体和基底神经节对于运动控制,奖赏学习机制,以及帕金森病的机制至关重要。


2021年11月1日,匹兹堡大学William Stauffer课题组和卡内基梅隆大学Andreas Pfenning课题组合作何静博士和Michael Kleyman为共同一作)Current Biology上发表了文章Transcriptional and anatomical diversity of medium spiny neurons in the primate striatum使用单细胞核RNA测序法(snRNA-seq)和荧光原位杂交 (FISH) 来研究MSNs的转录和解剖学多样性【1】


他们发现至少有9种MSN亚型(图1),包括与背侧纹状体 (dorsal striatum, DS) 亚型相关的纹体 (striosome) 和基质区室 (matrix compartments)、与腹侧纹状体 (ventral striatum, VS) 亚型相关的伏隔核壳 (nucleus accumbens shell) 和嗅结节 (olfactory tubercle),以及局限于腹侧纹状体富含 μ-opioid 受体岛(μ-opioid receptor islands)。尽管每种亚型以基因表达的不连续性来划分,但亚型内的连续梯度变化与解剖位置和潜在功能相互对应。这些结果为实现灵长类纹状体中对特定细胞类型的操作奠定了基础,也为研究特定神经回路的信息处理提供了蓝图。


图1 实验流程和灵长类纹状体的亚型和原型分布


为了研究非人类灵长类 (non-human primate, NHP) 纹状体的细胞类型结构,他们从两只猴的冠状切片中解剖了尾状核 (Cd)、壳核 (Pt) 和VS,进行了snRNA-seq,并根据其基因表达对核谱进行了类聚。与之前研究一致,他们发现了D1-和D2-MSN在纹状体中相对均匀的分布。他们发现神经元包含大约85% MSN和15%中间神经元 (inter neuron);中间神经元的比例比啮齿动物纹状体的比列更高,但与人类一致。在确定了主要细胞类别的标记物表达水平之后, 何博士团队对数据进行了进一步的挖掘和探索。为了识别MSN亚型,何博士团队重新计算了主成分分析(PCA)并对分离的MSN进行了降维,以物理上分离的UMAP集合对它们进行了类聚,并使用FISH探针对照先前描述的和新的标记基因对它们进行了注释。


他们的结果显示,DS含有五种不同的MSN亚型,包括纹体和基质区室的D1-和D2-MSN亚型,以及包含D1和D2受体的杂交细胞类型。这些杂交细胞与啮齿动物中描述的新型MSN类型 (D1H或eccentric-SPN) 类似【2,3】。而VS至少包含四种不同的亚型,有特异性位于NAc外壳和OT区域的D1-和D2-MSN亚型,以及与“界面岛  (interface islands) ”相关的两种亚型,即位于纹状体腹侧边缘内和附近的致密细胞岛。其中一个界面岛是Islands of Calleja (ICjs) 。另外一个界面岛分布在VS还有少量来自于壳核。这个界面岛富集了 μ-opioid 受体。因此何博士和团队认定这些细胞属于NUDAPs 【4】。这些NUDAPs是二三十年前科学家用μ-opioid 受体蛋白染色发现的,但是没有人知道这些是什么细胞。何博士和团队还发现这些细胞只表达D1型受体。他们推测这个可能是享乐热点 (hedonic hotspots,享乐热点就是当鸦片类药物作用刺激的时候,就会产生强烈的愉悦感。这种界面岛是灵长类动物特有的)【5】


为了更加深入的分析细胞亚型之间和之内的基因梯度变化,他们进行了原型分析 (archetypal analysis) 。原型分析显示每个亚型之间有大量的不连续基因表达,但是也会在亚型间和内部有梯度基金表达。他们还开创性的发现了一种灵长类的TAC3标记的MSN原型,分布于中间地带的伏隔核壳。这可能代表了皮质-基底神经节环路的第三条通路的起源【6】。总之,这些MSN亚型和原型提供了研究灵长类细胞类型特异性功能的蓝图,细胞类型特异性标记基因定义了潜在的分子接入点,以使遗传编码工具能够在科学或翻译环境中应用。


此文为分析大脑神经元种类特别是在灵长类动物中提供了一个漂亮示范。也揭示了灵长类纹状体和啮齿动物的差别。绘制神经元细胞种类地图是近代神经科学的根本。亚型和原型分析对于研究大脑的功能差异性是至关重要的。近些年的研究开始将细胞类型理解为分子变化的动态过程和复杂分布。简单的边界规划很少适用于这种动态的过程,但尽管如此,仍可以使用细胞分型来对分子上、神经生理上和形态上的模式进行观察和抽象分析。


原文链接:https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01369-5


参考文献


1. He, J., Kleyman, M., Chen, J., Alikaya, A., Rothenhoefer, K. M., Ozturk, B. E., Wirthlin, M., Bostan, A. C., Fish, K., Byrne, L. C., Pfenning, A. R., & Stauffer, W. R. (2021). Transcriptional and anatomical diversity of medium spiny neurons in the primate striatum. Current biology . https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.10.015

2. Stanley, G., Gokce, O., Malenka, R.C., Su¨ dhof, T.C., and Quake, S.R. (2020). Continuous and discrete neuron types of the adult murine striatum. Neuron 105, 688–699.e8

3. Saunders, A., Macosko, E.Z., Wysoker, A., Goldman, M., Krienen, F.M., de Rivera, H., Bien, E., Baum, M., Bortolin, L., Wang, S., et al. (2018). Molecular diversity and specializations among the cells of the adult mouse brain. Cell 174, 1015–1030.e16.

4. Voorn, P., Brady, L.S., Berendse, H.W., and Richfield, E.K. (1996). Densitometrical analysis of opioid receptor ligand binding in the human striatum--I. Distribution of mu opioid receptor defines shell and core of the ventral striatum. Neuroscience 75, 777-792. 10.1016/0306-4522(96)00271-0.

5. Berridge, K.C., and Kringelbach, M.L. (2015). Pleasure systems in the brain. Neuron 86, 646-664. 10.1016/j.neuron.2015.02.018.

6. Furuta, T., and Kaneko, T. (2006). Third pathway in the cortico-basal ganglia loop: Neurokinin B-producing striatal neurons modulate cortical activity via striato-innominato-cortical projection. Neuroscience Research 54, 1-10. https://doi.org/10.1016/j.neures.2005.10.002.


来源: BioArt

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