转录组和空间视角下，未定带 GABA 能神经元亚型介导不同先天行为的探秘之旅

为探究转录组和空间神经元亚型的解剖连接与行为，浙江大学研究人员开展了对未定带（ZI）中 GABA 能神经元的研究。通过多种实验方法，揭示了两种 GABA 能神经元亚型的分子标记、空间分布及功能，推进了对大脑功能组织的理解。

　　大脑是人体最为神秘且复杂的 “器官指挥官”，它掌控着数不清的生理活动和行为。在大脑的众多区域中，未定带（ZI）虽然 “个头” 不大，却有着调节多种行为的重要作用，这其中 GABA 能神经元扮演着关键角色。然而，目前对于转录组神经元亚型的行为功能，在活体动物中尚未明确。而且，由于缺乏特定分子标记，很难对 ZI 不同区域 GABA 能投射神经元的功能展开深入研究。为了解开这些谜团，浙江大学的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在动物实验方面，使用了野生型和转基因小鼠，利用 CRISPR/Cas9 技术构建了 Ecel1-Cre 和 Pde11a-Cre 转基因小鼠。在实验操作中，运用了立体定位注射技术将病毒导入小鼠脑内特定区域；通过双光子纤维光度法记录神经元钙信号；借助光遗传学和化学遗传学技术来操控神经元活动；还使用了电生理学方法检测神经元之间的突触连接。在分子生物学研究中，进行了细胞核分离和单细胞 RNA 测序分析，以探究细胞的分子特征，同时结合组织学和免疫荧光染色技术观察细胞和分子的分布情况 。

研究结果

1. 单细胞转录组分析揭示细胞类型和基因表达：研究人员从 Gad67-GFP 转基因小鼠的 ZI 区域分离出单细胞，进行 10x genomics 单细胞转录组测序。结果鉴定出多种细胞类型，包括抑制性神经元、兴奋性神经元等。进一步对神经元群体重新聚类，发现了 10 个谷氨酸能神经元簇和 12 个 GABA 能神经元簇，并确定了 ZI 及邻近脑区的标记基因。其中，在 ZI 区域发现了 6 个 GABA 能神经元簇，通过差异基因表达分析，找到了不同簇的标记基因，如 Ecel1、Pde11a 等。
2. 候选基因的表达和空间分布：利用荧光原位杂交（FISH）技术，研究人员验证了上述 6 个 GABA 能标记基因在 ZI 不同解剖亚区域的表达和空间分布。结果显示，Ecel1 在吻侧 ZI（ZIr）表达最高，Pde11a 在中间 ZI（ZIm）表达最高，且二者表达不重叠，这表明 Ecel1 和 Pde11a 表达的 GABA 能神经元分别在 ZIr 和 ZIm 占主导。
3. 神经元的传出投射：研究人员构建了 Ecel1-Cre 和 Pde11a-Cre 转基因小鼠，通过立体定位注射携带 Cre 依赖表达的膜结合 GFP 和突触素 - mRuby 的 AAV 病毒，来研究 ZIr^Ecel和 ZIm^Pde11a GABA 能神经元的轴突投射。结果发现，ZIr^Ecel神经元的轴突末梢分布在导水管周围灰质（PAG）等多个脑区，而 ZIm^Pde11a神经元的轴突末梢主要分布在脑桥网状结构（PRF）等区域，这说明它们向不同的下游脑区发出了不同的传出投射。
4. ZIr^Ecel神经元与自我梳理行为：为研究 ZIr^Ecel GABA 能投射神经元的行为功能，研究人员向 Ecel1-Cre 小鼠的 ZIr 区域注射 AAV 病毒，进行光遗传学激活实验。结果发现，激活 ZIr^Ecel神经元能引发强烈的自我梳理行为，且该行为可能与负面情绪有关。进一步研究发现，ZIr^Ecel神经元到 PAG 的 GABA 能投射通路介导了自我梳理行为，并且 ZIr^Ecel神经元可以双向调节自我梳理行为。
5. ZIm^Pde11a神经元与睡眠 - 觉醒周期：研究人员向 Pde11a-Cre 小鼠的 ZIm 区域注射 AAV 病毒，研究 ZIm^Pde11a GABA 能神经元的行为功能。结果发现，激活 ZIm^Pde11a神经元和 ZIm^Pde11a到 PRF 的通路能促进从睡眠到觉醒的转换。通过纤维光度法监测发现，ZIm^Pde11a神经元在快速眼动睡眠（REM）和觉醒状态下活跃。此外，ZIm^Pde11a神经元可以双向调节睡眠 - 觉醒周期。

研究结论和讨论

本研究成功揭示了 ZI 亚区域中 GABA 能神经元亚型的分子标记和空间分布，确定了 ZIr^Ecel和 ZIm^Pde11a这两种 GABA 能投射神经元亚型的不同功能。ZIr^Ecel GABA 能神经元通过投射到 PAG 通路调节自我梳理行为，ZIm^Pde11a GABA 能神经元通过投射到 PRF 通路促进从睡眠到觉醒的转换 。这一研究成果意义重大，不仅加深了人们对大脑功能组织的理解，也为进一步研究相关神经疾病的发病机制和治疗策略提供了重要的理论基础。例如，在帕金森病的治疗中，ZI 是慢性深部脑刺激的靶点之一，本研究对于理解睡眠异常与帕金森病的关系具有重要参考价值，有助于未来更深入地研究 GABA 能神经元在调节睡眠障碍中的具体作用 。