单突触狂犬病示踪揭示的Kremen1+纹状体棘状投射神经元全脑输入组织

《Frontiers in Neural Circuits》：Whole-brain input organization of Kremen1-positive striatal spiny projection neurons revealed by monosynaptic rabies tracing

　　

确定纹状体棘状投射神经元（SPNs）亚型的输入组织对于理解纹状体如何整合信息以调节运动控制和决策制定至关重要。在此，研究人员在Kremen1^2A-Cre敲入小鼠中采用单突触狂犬病示踪，以绘制Kremen1阳性（Kremen1⁺）SPNs的输入，这是一种在背侧纹状体斑块（striosome）区室中富集的亚型。起始细胞沿背侧纹状体头尾轴广泛分布。全脑分析揭示，Kremen1⁺ SPNs接收来自运动、体感和前额叶皮层以及多个丘脑核团的显著输入。额外的输入源自杏仁核、基底节和中脑区域，包括多巴胺能群体。定量分析表明对感觉运动相关回路有强烈偏向。总之，这些结果提供了Kremen1⁺ SPNs的全脑输入图谱，并表明这些神经元被定位以整合基底节网络内的皮层、丘脑和神经调节信号，从而调节运动功能。

**研究背景：** 纹状体（striatum）分为斑块（patch/striosome）和基质（matrix）两个相互交错的区室，它们在分子组成、连接性和功能上存在差异，共同塑造基底节（basal ganglia）对运动、认知和情感行为的处理。斑块纹状体棘状投射神经元（SPNs）富集μ-阿片受体，与基于价值的决策、动作评估和运动控制中的多巴胺能信号调节有关。然而，支持这些功能的传入回路组织尚未完全明确。早期解剖学研究表明，皮层和丘脑输入对纹状体区室化有贡献，但原有基于重组狂犬病病毒（rabies virus）的示踪研究存在局限性，例如使用BAC-Cre小鼠品系可能标记非典型斑块群体，且病毒系统效率有限。最近单核RNA测序研究揭示了斑块区室内的细胞异质性，其中Kremen1（一种与Wnt信号相关的跨膜受体）标记了一个转录上独特的纹状体黑质SPN亚型，在斑块区室中富集。Kremen1⁺神经元约占斑块SPNs的52%和背侧纹状体总SPNs的12.7%，是斑块系统的主要组成部分。尽管Kremen1⁺ SPNs在基底节功能中具有重要性，但其突触前输入结构未知。因此，本研究旨在通过单突触狂犬病示踪，系统绘制Kremen1⁺ SPNs的全脑输入图谱。

**研究内容与意义：** 研究人员在Kremen1^2A-Cre敲入小鼠中，结合遗传靶向与单突触狂犬病示踪，实现了对Kremen1⁺ SPNs的输入的全脑定量分析。研究揭示了Kremen1⁺ SPNs优先接收来自感觉运动皮层、丘脑核团和神经调节中脑区域的输入，表明这些神经元整合皮层、丘脑和神经调节信号以调节运动功能。该研究提供了首个全脑输入图谱，为理解斑块区室特定SPN亚型在基底节网络中的角色提供了量化框架。论文发表在《Frontiers in Neural Circuits》。

**主要关键技术方法：** 关键技术包括：在Kremen1^2A-Cre敲入小鼠（Jackson Laboratory提供）中，通过立体定位注射Cre依赖的AAV辅助病毒（表达TVA和狂犬病毒糖蛋白）和EnvA假型化、缺失糖蛋白的CVS-N2c狂犬病毒（携带tdTomato或EGFP荧光报告基因），实现单突触逆行示踪。7天后，通过免疫荧光染色（使用FLAG抗体和MOR1抗体标记斑块区室）和全脑切片扫描成像，利用NeuroInfo软件进行自动细胞检测、脑图谱配准（基于Allen脑图谱）和定量分析，计算各脑区输入神经元占全部输入的比例。

**研究结果：**

**Kremen1⁺起始细胞：** 通过分析FLAG和狂犬病毒荧光报告基因的共定位，发现起始细胞主要局限于背侧纹状体的斑块区室（由MOR1免疫染色界定）。起始细胞数量（约1,300–4,600个/脑）沿头尾轴分布，内侧区域密度较高（与体积相关），且常形成簇状。

**全脑输入分布：** 狂犬病毒标记的突触前输入神经元遍布全脑，大脑皮层贡献了约85%的输入，其次为丘脑（约10%）、杏仁核（约3%）、基底节（约1%）和中脑（约1%）。输入以同侧半球为主，皮层和丘脑呈现显著的同侧偏向。

**皮层输入：** 皮层输入主要来自运动（MO）和体感（SS）皮层，前额叶和前扣带回等联合皮层也有显著贡献，视觉和听觉皮层输入较少。输入神经元主要分布在皮层第5层，符合皮质纹状体投射神经元（包括双侧端脑内IT型和同侧锥体束PT型）的特征。次级运动区（MOs）的输入贡献超过初级运动区（MOp）。

**丘脑输入：** 丘脑输入主要来自背侧丘脑内侧组（MED）和板内核（ILM），此外还有腹内侧核（VM）、腹前外侧复合体（VAL）和中线核团（MTN）等运动相关核团的输入，感觉相关核团（如PO、VP）输入较少。

**杏仁核输入：** 杏仁核输入主要来自基底外侧杏仁核（BLA），其次为基底内侧杏仁核（BMA）和中央杏仁核（CEA），呈现同侧偏向。

**基底节和中脑输入：** 基底节和中脑输入占总输入比例较小（约1%），但分布明确：最大贡献来自苍白球外侧段（GPe），其次为黑质网状部（SNr）、黑质致密部（SNc）、腹侧被盖区（VTA）等，脚桥核（PPN）也有少量输入。对侧输入中，SNr和PPN的贡献相对较大。

**讨论与结论：** 讨论部分指出，Kremen1⁺ SPNs的输入结构与经典纹状体连接一致，但具有特定偏向：感觉运动皮层输入占优，且层5投射富集，支持这些神经元整合运动输出与动作执行信号。丘脑输入（特别是MED和ILM）提示整合感觉、状态依赖信号；杏仁核BLA输入提供情感和动机信息。基底节和中脑输入（尤其是GPe和SNc）将Kremen1⁺神经元置于皮层-基底节-中脑反馈环路中，与已知的Kremen1⁺纹状体黑质神经元抑制ALDH1A1⁺多巴胺能神经元的功能一致。研究挑战了直接通路（纹状体黑质）神经元统一促进运动的经典观点，表明特定斑块相关dSPNs可抑制运动或调节运动强度。结论部分（Significance statement）翻译如下：纹状体包含分子和功能多样的棘状投射神经元（SPNs）群体，但特定亚型如何嵌入全脑回路仍需进一步研究。Kremen1阳性（Kremen1⁺）SPNs在斑块（striosome）区室中富集，并参与调节多巴胺能信号和运动行为。通过结合遗传靶向与单突触狂犬病示踪，本研究提供了首个Kremen1⁺ SPNs全脑输入图谱。结果表明，这些神经元优先整合来自感觉运动皮层区域、丘脑核团和神经调节中脑区域的信号。结合先前关于Kremen1⁺ SPNs调节多巴胺能神经元和运动行为的证据，这一连接模式表明Kremen1⁺ SPNs代表一个分子定义的斑块富集SPN亚型，通过该亚型，皮层和丘脑信号可能影响多巴胺能基底节回路，而非其他SPN群体所缺乏的独特整合结构。