ABBA+BraiAn集成工具套件揭示学习过程中即刻早期基因cFos、Arc和NPAS4的全脑差异表达图谱

研究人员开发了ABBA（全脑图谱配准工具）和BraiAn（全脑数据分析套件），解决了传统组织学分析难以实现全脑多标记定量化的难题。通过比较cFos、Arc和NPAS4三种即刻早期基因（IEGs）在记忆行为中的表达差异，发现它们具有互补而非等效的神经活动标记特性，为神经环路研究提供了新工具和新见解。

　　

神经科学研究长期面临全脑尺度神经活动标记分析的挑战。传统组织学方法受限于区域局限性，而新兴的透明化成像技术存在成本高、多标记检测困难等问题。来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和法国分子与细胞药理学研究所的Nicolas Chiaruttini、Carlo Castoldi、Bianca A. Silva等团队在《Cell Reports》发表研究，开发了ABBA+BraiAn集成分析平台，首次系统揭示了三种关键神经活动标记物在全脑范围的表达差异。

研究团队通过ABBA实现了二维组织切片与三维参考图谱（如Allen CCFv3）的精准配准，其创新性在于：支持多物种图谱、兼容常规组织学切片格式、结合深度学习（DeepSlice）与手动校正。配套开发的BraiAn分析套件提供自动化多标记细胞分割（QuPath扩展）、全脑统计（偏最小二乘分析PLS）和交互式可视化（XMasTree图谱）功能。

研究结果部分：

1. ABBA工具性能验证
   通过Dice-S?rensen评分验证，全自动配准仅需1分钟/脑，经手动优化后配准精度达专家水平。工具支持小鼠、大鼠、斑马鱼等多物种图谱，处理51张切片（61GB数据）仅需36分钟。

2. cFos与Arc的脑区表达差异
   皮层区域Arc⁺神经元密度显著高于cFos⁺（如皮层亚区达3倍差异），而丘脑、下丘脑等亚皮层区域仅检测到cFos表达。共表达分析显示，即使在海马齿状回（DG）等共现区域，双阳性神经元占比也不足50%。

3. NPAS4的特殊表达模式
   NPAS4⁺细胞数量较cFos低一个数量级，但90%与cFos共定位，呈现"神经元活动特异子集"特征。其表达高度集中于皮层-海马环路，在纹状体、丘脑等区域完全缺失。

4. 行为诱导的差异响应
   恐惧条件反射（FC）实验显示：cFos在杏仁核（BLA、CeA）、下丘脑广泛激活；Arc仅在部分皮层（如前边缘皮层PL层6b）和杏仁核亚区响应；NPAS4则特异性标记前额叶皮层（IL层6）和杏仁核神经元。

研究结论指出，三种即刻早期基因（IEGs）具有显著不同的全脑分布特征和行为响应模式：cFos是广谱活动标记，Arc偏好皮层活动，NPAS4则标记特定神经元亚群。这种差异可能源于：细胞类型特异性（如NPAS4受miR-224调控）、活动模式编码差异（Arc对弱刺激更敏感）。该研究不仅提供了全脑分析的新工具（已开源），更揭示了多重IEG标记策略对解析神经环路的必要性，为记忆研究提供了新的分子层面见解。