《Nature Cell Biology》：An atlas of primate insular cortex reveals a signal-processing strategy in von Economo neurons
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前岛叶皮层（anterior insular cortex, AIC）是将外感受性（exteroceptive）和内感受性（interoceptive）信息整合为高级认知的关键枢纽，但其神经基础仍不完全清楚。研究人员通过结合全细胞单细胞转录组学与Patch-s
前岛叶皮层（anterior insular cortex, AIC）是将外感受性（exteroceptive）和内感受性（interoceptive）信息整合为高级认知的关键枢纽，但其神经基础仍不完全清楚。研究人员通过结合全细胞单细胞转录组学与Patch-seq记录技术，解析并表征了猕猴AIC中的78种详细细胞类型，揭示了该区域在细胞类型、连接图谱、信号处理策略及代谢特征方面的多样性与特化性。其中，研究人员鉴定出两种转录组学与形态电生理学定义的冯·埃科诺莫神经元（von Economo neuron, VEN）亚型：表达DSG2的VEN-L和表达POC5的VEN-S，前者转录组学上与外皮层外（extratelencephalic）投射神经元相关，后者与皮层丘脑（corticothalamic）投射神经元相关。研究人员还揭示了VEN此前未被重视的信号处理策略，即树突起源轴突的几何结构重塑动作电位（action potential, AP）动力学，并增强胞体对深层突触输入的反应性。该多模态图谱为研究灵长类AIC认知过程的环路原理建立了分子与功能框架。
**研究背景与问题**
新皮层在哺乳动物高级认知功能中发挥核心作用。从啮齿类到灵长类的认知能力演化跃升，伴随着皮层体积和细胞数量的大幅扩展。尽管积累的证据支持哺乳动物新皮层具有广泛共享的发育轨迹和细胞架构，但物种间在细胞多样性和神经元连接性方面也存在显著差异。灵长类富集细胞类型的发现提出了关于灵长类特化的关键问题：灵长类在何种程度上发展出独特的神经元类型以介导特化功能，这些功能差异是否源于底层神经网络的分子和内在生理特性？
前岛叶皮层是人类中差异扩展最显著的新皮层区域之一，作为高度整合性枢纽，广泛连接皮层和皮层下脑区，介导自我意识、社会意识等高级认知功能。AIC特有的一种灵长类特异性细胞类型——冯·埃科诺莫神经元（VEN），是一种具有大型纺锤形胞体和等粗顶树突与基底树突的非典型投射神经元。AIC的病理改变，特别是VEN的病变，与成瘾、精神分裂症和自闭症谱系障碍等主要心理障碍相关。然而，关于AIC组成细胞类型，尤其是VEN等特殊细胞群体的分子图谱、连接模式和生理特性所知甚少。鉴于猕猴与人类的密切演化关系及AIC结构的相似性（特别是VEN等特化神经元群体的共存），猕猴成为解析这一关键枢纽独特细胞架构与功能的理想模型。
**研究设计与核心结论**
研究人员采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、Patch-seq技术以及八通道同步全细胞贴片钳记录，对猕猴AIC投射神经元的多模态变异进行了系统表征，发现了两种VEN亚型，揭示了一种信号处理策略，为理解其在复杂行为、认知功能和神经精神疾病中的作用奠定了基础。该研究发表于《Nature Cell Biology》。
**主要技术方法**
研究整合了三种核心技术：（1）从7只成年猕猴获取VEN富集的AIC区域样本，进行全细胞scRNA-seq（122,663个细胞），建立分子细胞图谱；（2）Patch-seq技术（578个神经元），同步获取单个神经元的形态学、电生理学和转录组学特征，其中307个细胞通过转录组质量控制用于下游分析；（3）八通道同步全细胞贴片钳记录（377个神经元中测试1,292对潜在局部连接对），用于解析神经元间的突触连接模式。样本来源为成年食蟹猴（Macaca fascicularis），年龄4-6岁。此外，研究还包括非靶向代谢组学分析，比较AIC、顶叶皮层（PrC）和初级视觉皮层（V1）的代谢特征。
**研究结果**
***猕猴AIC的转录组图谱***
研究人员建立了包含122,663个高质量转录组的全细胞scRNA-seq数据集。通过层次聚类，将细胞分为兴奋性神经元（21,733个，17.8%）、抑制性神经元（17,007个，13.9%）、胶质细胞（83,283个，67.8%）和血管细胞（640个，0.5%）四大类，进一步细分为20个亚类和78个分子定义的转录组细胞类型，包括34种抑制性和20种兴奋性神经元类型，以及24种非神经元细胞类型。兴奋性神经元分为八个亚类：L5外皮层外（L5 ET）、L5/6皮层丘脑（L5/6 CT）、近投射（NP）和L6b神经元，以及四个内皮层内（IT）神经元亚类。值得注意的是，IT RORB亚类在猕猴AIC中广泛分布于颗粒上层和颗粒下层，与啮齿类中仅局限于第4层不同。Spearman相关分析显示，猕猴数据集与四种物种的新皮层数据在各类细胞/亚类基因表达上具有高度相关性，支持物种间的同源性。
***Patch-seq揭示猕猴AIC广泛的细胞异质性***
研究人员系统表征了跨AIC所有层次的578个Patch-seq细胞。273个兴奋性神经元映射到20种兴奋性类型中的18种，34个抑制性神经元映射到33种抑制性类型中的17种。29个形态学鉴定的VEN未映射到独特分子簇，而是分别映射至L5 ET（14个）或L5/6 CT（15个），与其层次分布和与人类L5 ET神经元的潜在相似性一致。
定量形态电特征分析揭示各投射神经元类型间的多种差异：L2/3 IT HPCAL1神经元具有小膜时间常数（tau）和窄动作电位（AP）宽度；IT RORB和L6 PC神经元具有特征性膜电阻；L5 IT FEZF2神经元具有更高AP阈值和更长 spike 潜伏期；VEN具有更宽AP宽度和更低的放电率及更大的 spike 时序变异性。形态学差异比生理学差异更为显著。UMAP分析证实VEN与PC形成明显分离的聚类，凸显VEN的独特形态。
***AIC演化的神经信号处理策略***
VEN最显著的形态学特征之一是其轴突从基底树突发出，而非胞体。通过生物胞素和
pan-α钠通道（Pan-Nav）共染色确认，VEN的轴突起始段（AIS）平均位于距胞体显著更远的位置，且AIS长度短于PC。
AP相位-平面图（dV/dt相对于膜电位V
m）显示VEN具有更突出的双相特征，其AIS相位在SD相位前呈现明显衰减，形成"鞍状"形态。VEN的相位峰指数显著低于任何PC类型，反映了其独特的AIS几何结构。
为验证AIS几何结构对VEN电生理特性的影响，研究人员对281个VEN和306个L5 PC进行了全细胞记录。VEN的AP更宽、幅度更低，胞体Na
+电流显著低于L5 PC。基于重建形态学的计算模型成功再现了这些差异，并证实增加AIS距胞体距离导致AP变宽、幅度降低、相位-平面图更"鞍状"——该效应在PC模型中未出现。综合形态电学和建模检验表明，独特的AIS几何结构是VEN独特AP动力学的主要决定因素，而非钠通道密度、AIS长度或基底树突厚度。
***VEN对深层突触输入的强响应***
研究人员同时记录配对的邻近VEN和PC对AIC深层电刺激的诱发兴奋性突触后电位（eEPSP）。VEN与PC的突触后反应潜伏期相似，但VEN的响应幅度显著高于邻近PC。计算模型再现了VEN对基底树突模拟突触输入的更强突触反应性，证实VEN较粗的基底树突增强了突触输入向胞体的传播。进一步模拟显示，VEN对连续深层输入的响应比PC更 robust，远端轴突起源促进了胞体对远端基底树突输入的反应。
***深层AIC神经元的改变连接图谱***
通过记录自发性/微型兴奋性和抑制性突触后电流（sEPSCs/sIPSCs和mEPSCs/mIPSCs），研究人员发现VEN的兴奋性和抑制性事件频率均显著低于PC，而幅度无显著差异，表明VEN接收的局部兴奋性和抑制性输入均明显减少。
八通道同步全细胞贴片钳记录显示，在1,292对测试的潜在连接中，PC-to-PC连接率为4.77%（24/503），而VEN-to-VEN（0/110）、VEN-to-PC（0/200）、PC-to-VEN（1/200，0.5%）以及VEN与抑制性中间神经元间的连接均为零。这表明VEN以稀疏的局部突触相互作用为特征的连接模式，可能作为特化的长程信息传输通道。
***两种VEN亚型的多模态表征***
详细形态重建揭示VEN间的形态多样性，特别是在其突出基底树突方面：VEN-L具有长而突出的基底树突（常超过500 μm深入L6b深层），相对顶树突近乎对称；VEN-S具有短而突出的基底树突，急转为水平或侧下方向的细分支。VEN-L的基底树突分支大于L5 PC，而VEN-S与PC相似。
通过Patch-seq和scRNA-seq数据的交叉分析，VEN-L映射至L5 ET（Exc FEZF2 DSG2），VEN-S映射至L5/6 CT（Exc FEZF2 COL24A1的亚簇COL24A1 POC5）。差异表达基因分析鉴定了各亚型的特异性标志物：VEN-L表达DSG2、HAPLN4、TOX2、TRPC4、CAMK1G和TAGLN2；VEN-S表达ATP8A2、POC5和SEMA3E。荧光染色验证了这些分子标志物。尽管形态和转录组不同，两种VEN亚型表现出相似的生理特性。
***转录组差异 underlying 表型变异***
跨投射神经元类型的转录组距离与表型距离（膜时间常数tau、最大放电率、归一化胞体深度等）呈高相关性（r=0.53），表明转录组多样性是AIC投射神经元形态电差异的基础。IT神经元三个主要亚类的发育和形态发生相关基因表达与胞体位置和体积显著相关。GO富集分析揭示突触传递、突触信号、突触可塑性及树突形态的差异，L5 IT FEZF2神经元中HIF-1信号通路基因富集，暗示深层投射神经元可能存在代谢差异。
***皮层代谢组学揭示AIC的糖酵解偏倚***
非靶向代谢组学量化分析显示，AIC、PrC和V1间存在代谢组梯度，与认知层级一致。主成分分析显示AIC与V1间有228个差异丰富代谢物，远多于AIC与PrC间的108个。中心碳代谢是主要变异轴，糖酵解、三羧酸（TCA）循环和相关碳水化合物通路高度富集。AIC显示糖酵解中间产物和TCA代谢产物的协调性变化，以及氧化酶基因（MDH2、SDHB、ACO2、IDH2和SUCLG1）表达改变，提示糖酵解偏倚伴线粒体氧化降低。AIC细胞显示升高的柠檬酸和降低的2-酮丁酸水平，以及增加的谷氨酸，表明V1细胞可能依赖谷氨酰胺分解供能，而AIC细胞维持足够的葡萄糖衍生碳，减少对谷氨酰胺分解的需求。
**讨论与结论**
研究人员系统表征了猕猴AIC的细胞组成，特别关注深层投射神经元。研究发现，第5层投射神经元类型在物种和皮层区域间具有高度保守的形态电特性。人类FI第5层特有的VEN在猕猴AIC中得以保留，研究人员利用Patch-seq获取了大量VEN的详细定量形态、电生理和转录组信息。
与邻近PC相比，VEN表现出更大的spike时序变异性和更低的放电率，与人类FI中报道的发现一致。显著的形态计量变异使VEN可分为两个独特亚型，各自具有独特的形态和转录组特征，这提示需要重新审视VEN作为单一细胞类型的概念，并强调两个VEN亚群潜在的不同功能角色。
VEN轴突-承载基底树突的定量分析揭示，其重塑了胞体AP并比常规基底树突更有效地驱动AP输出。深层PC传递高度加工和整合的信号，如涉及概念表征和记忆检索的信号。VEN对深层输入的响应比邻近PC更 robust，加上其从突出基底树突发出的AIS，凸显了区域特异性细胞特化用于深层信息整合和输出。
VEN突出的基底树突和稀疏的局部连接表明，它们可能作为介导长程通信的特化广播单元。深层定位和与FEZF2表达L5 ET/CT神经元的转录组相似性，提示VEN为将皮层计算连接至皮层下和丘脑靶标的投射神经元。其大口径树突和降低的树突区室化减少了表面积/体积比，实现更有效的胞体树突整合。这种形态电配置有利于将深层输入快速转化为长程输出spike。这些特征意味着VEN代表从L5 ET/CT功能特化而来，优化用于将AIC的整合性显著性和内感受信息传输至远端皮层和丘脑区域。结合糖酵解代谢偏倚，这种组织使AIC能够快速、自上而下地调控分布式情感和自主网络，同时最小化冗余的局部递归。
性别二态性在脑中多个水平均有充分记录，但研究人员的新皮层分析显示主要细胞类别的代表性无显著性别差异。如果存在皮层性别差异，可能源于代谢等系统性过程。
该研究的局限在于无法直接鉴定AIC投射神经元的皮层下投射靶标。尽管VEN-L和VEN-S在分子上分别类似于投射至脑干/脊髓的L5 ET和投射至丘脑的L5/6 CT神经元，但它们是否遵循这些投射模式尚不清楚。未来研究需要将本研究鉴定的分子和电生理学特征与投射追踪相结合，以阐明其特定环路角色。
