蓝斑去甲肾上腺素能神经元的地形结构与功能

《Nature》：Topographic structure and function of locus coeruleus noradrenaline neurons

　　

摘要专业翻译 去甲肾上腺素（Noradrenaline，又称Norepinephrine）由蓝斑（locus coeruleus，LC）中的神经元释放至中枢神经系统（central nervous system，CNS）的大部分区域。研究人员在小鼠中发现了蓝斑去甲肾上腺素能（LC-NE）神经元的形态、基因表达与活动之间的关系。单个神经元的轴突投射范围广泛，但主要局限于脑区的特定子集。轴突投射和分级基因表达与蓝斑中胞体位置相关。在需要根据行为持续学习的任务中，投射至等皮层（isocortex）的背侧蓝斑神经元在小鼠切换选择时被激活，并响应驱动学习的奖励预测误差（reward-prediction-error，RPE）信号。当小鼠忽略提示潜在奖励可得性的刺激时，腹侧蓝斑神经元的背景活动较高。这些观察结果揭示了一个神经递质系统在地形上组织的结构与功能，并表明该系统包含用于灵活行为的学习信号。

论文解读

一、研究背景与科学问题

单胺类神经递质由数量较少但投射范围广泛的神经元群释放至整个中枢神经系统（central nervous system，CNS）。位于脑桥的蓝斑（locus coeruleus，LC）为CNS大部分区域提供单胺类递质去甲肾上腺素（noradrenaline，NE）。去甲肾上腺素与神经元和胶质细胞上的G蛋白偶联受体结合，激活细胞内信号通路并门控突触可塑性。LC-NE神经元调控多种行为，包括觉醒、睡眠-觉醒转换、应激反应、注意力和学习。LC-NE系统功能的多样性通常归因于其复杂的轴突投射，这些投射覆盖大脑和脊髓的大部分区域。

尽管LC-NE系统常被视为同质的，但多项观察指向其异质性：具有不同胞体形态的LC神经元在轴突投射上表现出偏好；离体和在体电生理记录显示LC神经元具有多样的生物物理特征；LC-NE神经元亚群表现出不同的输入-输出模式，并在不同CNS区域具有不同功能。然而，LC-NE神经元的异质性如何支撑其多样功能，此前尚不清楚。

研究人员探索了两个核心问题：第一，去甲肾上腺素是否由不同LC神经元释放至不同脑区；第二，去甲肾上腺素是否在不同行为条件下释放至不同靶区。这两个问题的回答将揭示LC-NE系统是否具有地形组织的结构与功能。

二、研究内容与主要结论

该研究发表于《Nature》，系统揭示了小鼠LC-NE神经元的结构与功能地形组织。研究发现，单个LC-NE神经元的轴突投射广泛但主要局限于特定脑区子集；轴突投射和分级基因表达与LC中胞体位置相关；在强化学习任务中，投射至等皮层的背侧LC神经元在切换选择时被激活并响应奖励预测误差信号；腹侧LC神经元的背景活动在小鼠忽略潜在奖励刺激时较高。这些发现表明，去甲肾上腺素在不同时间、不同行为条件下释放至不同脑区，揭示了神经递质系统的地形组织原理。

三、关键技术方法

研究人员综合运用了多种前沿技术。利用多光子光片显微镜（selective plane illumination microscopy，SPIM）结合组织透明化技术，对8只Dbh-Cre小鼠的34,998个去甲肾上腺素能神经元进行全脑成像与定位。通过膨胀辅助光片显微镜（expansion-assisted SPIM）对132个LC-NE神经元（4只小鼠）进行全形态重建。采用MAPseq（multiplexed analysis of projections by sequencing）条形码测序技术高通量鉴定单神经元投射。使用单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing，snRNA-seq）分析40只小鼠的398,912个细胞（含4,743个Dbh+ LC-NE神经元），并结合MERFISH（multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization）空间转录组数据进行空间映射。在行为学实验中，采用Neuropixels探针和四极管进行在体电生理记录，结合光遗传学鉴定（ChR2、Chrimson、ChRmine）、逆行示踪、抗刺激和碰撞试验鉴定投射靶区，以及光纤光度测定记录前额叶皮层（prelimbic cortex，PL）中LC-NE轴突的钙活动。此外还进行了脑片全细胞膜片钳记录（96个细胞，28只小鼠）结合单核RNA测序。

四、研究结果

LC-NE投射具有空间组织性

研究人员通过将去甲肾上腺素能神经元映射至标准共同坐标框架（common coordinate framework，CCFv3），定义了小鼠LC的边界。LC是一个体积为0.13 mm3的小型背侧区域，包含约三分之二的脑桥去甲肾上腺素能神经元（1,507 ± 55个）。全脑轴突成像显示，LC-NE轴突在所有CNS区域（纹状体除外）均有高密度分布，端脑投射主要为同侧，其他区域为双侧投射。

对132个LC-NE神经元的完整形态重建显示，单个神经元倾向于投射至特定区域：皮层、丘脑和中脑、小脑、脑干或脊髓。这些神经元轴突很长（平均34.20 ± 12.83 cm，最长70.32 cm，为已知最长的小鼠神经元），但分支较少（每厘米17.7个分支），显著低于其他CNS神经元（每厘米32.6个分支）。投射至前脑的神经元倾向于不投射至脑干或脊髓，反之亦然。

关键发现是胞体位置与投射靶区的关系：背侧LC神经元主要投射至前脑（嗅球、等皮层和海马），腹侧LC神经元主要投射至后脑（脑桥、延髓和脊髓）。逆行示踪实验证实了这一规律。因此，LC-NE神经元在空间上组织，从背侧到腹侧的LC神经元依次支配从前到后的CNS区域。

LC-NE神经元具有空间分级基因表达

研究人员对4,743个LC-NE神经元进行snRNA-seq分析，发现单一聚类即可最好地解释数据，基因表达在LC-NE神经元群体中平滑变化。通过主成分分析（principal component analysis，PCA）定义了一个"伪空间"（pseudospace）轴（范围0-1），代表群体基因表达的变异。许多基因沿伪空间平滑变化，包括轴突导向分子（如Epha6和Robo1）、黏附分子（如Fat3、Lrrtm4和Ncam2）、细胞外基质蛋白（如Chsy3、Col18a1和Ndst3）、离子通道（如Hcn1和Scn9a）、神经肽和神经调质受体（如Trhr、Tacr3和Sctr）以及转录调控因子（如Nrip1和Tshz1）。有些相关基因呈相反梯度表达，如Epha6对Epha7、Col18a1对Col6a5。

通过MERFISH空间转录组数据将2,308个LC-NE神经元注册至CCF，发现基因表达伪空间与LC的背腹轴对齐。逆行标记的snRNA-seq（retro-seq）显示，投射至皮层的神经元与背侧LC-NE神经元共享基因表达，投射至脊髓的神经元与腹侧神经元共享表达，投射至小脑的神经元介于两者之间。轴突投射和基因表达的主要变异轴均与背腹方向对齐，两者相差20°。

行为任务中的LC-NE活动

研究人员训练头部固定的小鼠执行动态强化学习任务，小鼠在左右舔舐管之间自由选择以获得概率性水奖励，奖励概率随时间分块变化。小鼠利用奖励和选择历史指导后续选择，符合强化学习模型。

在体电生理记录显示，几乎所有LC-NE神经元（240/241个）在"开始"提示后300 ms窗口内发放率增加。在提示前2秒内发放率较高的神经元预测小鼠将忽略提示（不做出舔舐反应），这一效应在腹侧LC神经元中最强。在切换选择（switch）与保持选择（stay）的比较中，切换选择时活动较高的神经元倾向于位于背侧LC，而保持选择时活动较高的神经元倾向于位于腹侧LC。通过抗刺激和碰撞试验鉴定的投射至等皮层的单神经元记录，以及PL中LC-NE轴突的钙成像，均证实投射至额叶皮层的LC-NE输入在切换选择时活动更高。

额叶皮层LC-NE活动与RPE相关

研究人员将强化学习模型拟合至小鼠选择行为，发现未来选择与奖励预测误差（reward prediction error，RPE）估计相关。LC-NE神经元对奖励或奖励缺失表现出多样化反应：一些神经元主要被奖励激活并被预测奖励抑制（即与RPE相关），另一些神经元主要被奖励缺失激活而不受预测奖励调节。被奖励激活的神经元倾向于位于LC更背侧和前侧，而被奖励缺失激活的神经元位于更腹侧。

对投射至等皮层的单神经元和PL中LC-NE轴突的钙活动分析显示，额叶皮层中的LC-NE输入在结果后1.5秒内与RPE相关。回归分析证实，皮层LC-NE轴突活动的系数比单神经元群体更偏向RPE调节。研究人员由此得出结论：额叶皮层接受来自背侧LC-NE神经元的输入，这些神经元在切换选择时活动增加，并在强化时刻与RPE相关。

五、讨论与结论

该研究揭示了小鼠LC-NE神经元结构与功能的地形组织。LC-NE神经元在CNS中广泛投射，但单个细胞仅到达有限的结构集合。这些投射在LC中空间组织，胞体的背腹分布映射至轴突的前后分布。基因表达分级且在空间上组织，与投射至不同CNS区域的模式匹配。LC-NE神经元活动沿相同空间维度变化，背侧细胞（包括投射至等皮层的细胞）在强化学习任务中切换选择或接受奖励时被激活。

LC-NE神经元的这种分级分子和解剖组织在其他CNS结构中也有类似现象，如等皮层、海马、丘脑和纹状体均显示空间分级基因表达，梯度上的特定位置对应投射至不同靶区。基因表达梯度可能反映了CNS的一个组织原则：离散细胞类别内的连续空间变异。

研究人员提出，皮层和基底节接收来自大脑两种主要儿茶酚胺——去甲肾上腺素和多巴胺——的互补输入。多巴胺输入至基底节携带类似的RPE信号，但相对较少投射至皮层。这两种神经调质可能使皮层和基底节作为分层学习系统运作，使大脑能够在多个时间尺度上学习。

研究结论指出，皮层的一个主要神经调质输入携带RPE信号，这是强化学习的关键变量。该学习信号可能超越强化学习的范畴：视觉皮层中的LC-NE轴突活动与感觉运动误差相关，人工激活LC可改变感觉驱动学习。这项研究为理解神经调质系统如何通过地形组织实现功能多样性提供了重要框架。