《Neurochemistry International》：Integrated Input-Output Connectomics at Single-Neuron Resolution Reveals Parallel Projection Streams in the Mouse Ventral Posterolateral Nucleus
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摘要腹后外侧核长期以来被视为将躯体感觉信息从脊髓传递到初级躯体感觉皮层的线性中继站。然而，该核整合非感觉信号（包括运动指令和情绪状态）的电路结构仍不明确；尤其是该核中由囊泡谷氨酸转运蛋白2标记的典型兴奋性神经元的相关电路机制至今仍未被充分阐明。通过结合单突触狂犬病追踪技术与荧光显
摘要
腹后外侧核长期以来被视为将躯体感觉信息从脊髓传递到初级躯体感觉皮层的线性中继站。然而，该核整合非感觉信号（包括运动指令和情绪状态）的电路结构仍不明确；尤其是该核中由囊泡谷氨酸转运蛋白2标记的典型兴奋性神经元的相关电路机制至今仍未被充分阐明。通过结合单突触狂犬病追踪技术与荧光显微光学切片断层扫描技术，我们建立了小鼠腹后外侧核中VGluT2阳性神经元的定量、单细胞分辨率连接组图。研究结果表明，这些神经元接收来自运动系统、边缘系统以及基底节系统的大量汇聚性输入，这一发现挑战了腹后外侧核仅为单一模式感觉中继站的经典观点。通过对149个单个神经元的重建分析，我们发现了四种不同的投射亚型，这类神经元不仅支配初级躯体感觉皮层，还同时连接初级运动皮层以及更高阶的联合区域。值得注意的是，这些神经元向初级运动皮层的投射倾向于作用于第5层，绕过了传统的感觉层次结构。这些解剖学发现支持了腹后外侧核可能作为感觉运动整合中心的假设，也为理解躯体感觉如何与动作及认知相互关联提供了重要的结构基础。
引言
躯体感觉系统对于感知外部环境刺激至关重要，而丘脑则是感觉信息传递的关键中继站。腹后核在解剖学上可分为腹后外侧核和腹后内侧核，它是传递触觉、本体感觉以及痛觉信息的核心核团（Kaas等人，2013；Torrico和Munakomi，2026）。腹后外侧核主要接收来自内侧丘系和脊丘束的上升性输入，从而整合来自躯干和四肢的感觉信号（Craig，2002；Francis等人，2008；Kramer等人，2017）。
尽管腹后外侧核在躯体感觉传递中的作用已得到充分证实，但关于其在全脑尺度上的输入输出网络结构，仍存在诸多未知之处。传统研究大多聚焦于腹后外侧核的“点对点”中继功能（Kusama等人，1985；Sherman和Guillery，2011；Steriade，2001）。在输入层面，腹后外侧核不仅接收传统的上升性感觉输入，还接收多种皮质丘脑投射信号（Chen等人，2024；Deschênes等人，1998），同时还会受到丘脑网状核的抑制性调控（Pinault，2004）。在输出层面，已有研究绘制出了腹后外侧核的丘脑皮质投射模式图（Krubitzer和Kaas，1990；Rubio-Teves等人，2024），并构建了躯体感觉上升通路的连接图谱（Ding等人，2025）。但这些研究并未揭示腹后外侧核输出神经元的单细胞投射异质性，也无法确定单个腹后外侧核神经元是否同时连接多个皮质区域。
近期的研究开始对这一经典观点提出质疑。Ding等人虽然提供了躯体感觉上升通路的单细胞分辨率全景图，但其分析将腹后外侧核视为更广泛通路中的中继站，而非研究其内在的组织规律（Ding等人，2025）。具体而言，腹后外侧核神经元是否构成具有特定输入输出连接特征的功能性亚群，以及单个腹后外侧核神经元是否通过轴突侧支连接多个皮质区域，这些问题至今仍未得到解答。
腹后外侧核包含两种不同的神经元群体：一类是谷氨酸能的丘脑皮质投射神经元，这类神经元带有囊泡谷氨酸转运蛋白2标记，是负责上升性感觉传递的核心神经元（Fremeau等人，2002；Zhang等人，2018）；另一类则是数量较少的局部GABA能中间神经元。此前尚未有研究对腹后外侧核VGluT2阳性神经元的全脑投射模式进行系统性的单细胞分辨率分析。
单细胞连接组学技术为解析腹后外侧核的输出网络提供了新的思路。荧光显微光学切片断层扫描技术能够实现全脑范围的细胞级连续切片（Gong等人，2016；Zhong等人，2021）。然而，目前尚无研究系统地绘制过腹后外侧核VGluT2阳性神经元的单细胞全脑输出图谱。这些神经元是否构成具有不同输出特征的功能性亚群，也依然是个未解之谜。
本研究旨在通过单细胞水平解析小鼠腹后外侧核VGluT2阳性神经元的全脑连接图谱，从而填补现有知识空白。我们采用了依赖于Cre基因的病毒追踪技术结合单神经元三维重建方法，定量分析了这些神经元的全脑输入情况，追踪了149个单个神经元的投射路径，并根据投射特征对其功能亚型进行了分类。此外，我们还分析了这些神经元向感觉皮层和运动皮层的具体投射模式。本研究挑战了传统初级感觉丘脑核团的层级式投射模型，为腹后外侧核VGluT2阳性神经元在感觉运动整合中的作用提供了重要的解剖学依据。
章节节选
实验动物
实验所用动物为8至12周龄的雄性VGluT2-Cre转基因小鼠（JAX公司编号#016963），体重在25至30克之间，这些小鼠购自杰克逊实验室。实验动物被饲养在温度恒定（22-26℃）、湿度恒定（55-60%）的环境中，光照周期为12小时亮光/12小时黑暗，可自由获取食物和水。所有实验操作均遵循第四军医大学《实验动物使用指南》的规定，并已获得该校伦理委员会的批准。
腹后外侧核VGluT2阳性神经元输入信号的全脑映射
为探究腹后外侧核VGluT2阳性神经元的输入来源，我们使用了VGluT2-Cre转基因小鼠以及基于Cre基因的病毒工具（见图1A）。在进行单突触输入追踪时，我们将两种腺相关病毒（AAV9-EF1α-DIO-mCherry-TVA和AAV9-EF1α-DIO-RVG）混合后共同注入腹后外侧核。两周后，再将RV-EnvA-ΔG-eGFP（经过改造的狂犬病病毒EnvA蛋白载带的ΔG-eGFP标记物）注入相同的部位（见图1B）。表达TVA蛋白的细胞即为空鸟肉瘤白血病病毒受体A阳性细胞。
讨论
在本研究中，我们通过结合全脑输入追踪技术与单神经元三维重建技术，系统地分析了小鼠腹后外侧核VGluT2阳性神经元的输入输出电路结构，明确了这些神经元亚群的功能差异，以及其在单细胞层面的层特异性投射规律。这项工作挑战了传统躯体感觉丘脑的线性中继模型，为理解相关生理过程提供了新的解剖学依据。
结论
总体而言，我们的单神经元输入输出连接组学分析表明，腹后外侧核VGluT2阳性神经元具有广泛的全脑输入和输出连接特性，其功能远超传统线性感觉中继框架的范畴。我们发现的各类不同投射亚型，再加上它们独特的层特异性皮质靶向模式，为多模态感觉运动整合提供了核心的结构基础。这些发现为深入理解相关生理过程的结构机制奠定了重要基础。
伦理声明
所有动物实验均经过了第四军医大学动物实验伦理委员会的审查与批准，实验操作完全符合《实验动物护理和使用指南》的相关规定。该实验的获批方案编号为IACUC-20211018。
CRediT作者贡献说明
任晓：数据整理。 赵天宇：正式分析。 李一瑶：正式分析、数据整理。 魏恒政：初稿撰写、正式分析、数据整理。 张明明：文稿审阅与编辑。 李云青：文稿审阅与编辑。 张福兴：文稿审阅与编辑。 邱新桐：数据整理。
数据可用性
本研究过程中生成或分析的所有数据，如需获取，可向相应作者提出合理请求后获得。
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
资金支持声明
本项研究得到了以下项目的资助：脑科学与类脑智能技术——国家科技重大专项（项目编号为2021ZD0204403，资助对象为张敏敏、张福兴和李玉清），中国国家自然科学基金（项目编号82371246，资助对象为张敏敏；项目编号82130034、82471254和82221001，资助对象为李玉清），以及陕西省青年人才扶持计划（项目编号为2024JC-JCQN-74，资助对象为张敏敏）。
利益冲突声明
? 所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
Hengzheng Wei|Yiyao Li|Tianyu Zhao|Xiao Ren|Xintong Qiu|Fuxing Zhang|Yunqing Li|Mingming Zhang
中国西安710032，第四军医大学，解剖学、组织学与胚胎学系及K.K. Leung脑科学研究中心
