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Cell | 骆利群团队拆解全脑血清素系统:五大投射网络连接神经元身份与行为功能

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撰文 |Sure

5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT) 又称 血清素 , 是一种高度保守的神经调节物质,在哺乳动物中参与奖赏、学习、焦虑、社会行为和进食等多种功能。临床上选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitors,SSRIs) 也广泛用于抑郁症、焦虑症等精神疾病。脑内血清素神经元主要位于背侧中缝核(dorsal raphe nucleus,DR) 和中缝正中核(median raphe nucleus,MR),虽然数量极少,但轴突几乎遍布全脑【1】。传统研究往往把DR血清素神经元作为一个整体进行激活或抑制。但近年来单细胞转录组和环路研究发现,血清素神经元具有明显异质性【2-6】。例如,投射到眶额皮层和中央杏仁核的DR血清素神经元具有不同的解剖、分子和功能特征。 因此,一系列的科学问题亟待解决:全脑血清素系统究竟由多少个投射子系统组成?哪些脑区由同一群血清素神经元共同支配?投射结构是否对应特定的转录组和空间身份?不同投射系统是否承担不同的行为功能?

近日,美国 斯坦福大学 的 HHMI研究员 、 美国国家科学院 院士 骆利群 教授领导的课题组 在 Cell 上 发表了 Resource 论文 Architecture of the serotoninergic projectome in the mouse brain 。 本研究 系统解析了 数量极少但广泛支配全脑的血清素神经元 投射 系统组成,以及这些子系统如何分别塑造不同的行为表型。


已有研究已经发现,投射到不同脑区的部分血清素神经元具有不同功能,但这些研究只覆盖整个系统的一小部分。因此作者首先需要从全脑尺度回答:血清素神经元的投射到底有没有整体组织规律。 为了回答这个问题, 作者在35个不同脑区注射 AAVretro(retrogradely transducing adeno-associated virus,逆行转导腺相关病毒),逆行标记投射到这些脑区的血清素神经元,并分析这些神经元在全脑其他区域的轴突侧支。结果发现,投射到同一脑区的血清素神经元往往具有相似的全脑侧支模式,而不同靶区之间存在明显差异。随后利用 NMF(non-negative matrix factorization,非负矩阵分解) 对全脑投射数据进行无偏分析,最终将血清素系统划分为5个主要投射组:HPC(hippocampal,海马组) 、 BG(basal ganglia,基底神经节组) 、 CTX(cortical,皮层组) 、 MI(medial interbrain,内侧间脑组) 和 BSLT(brainstem and lateral thalamic,脑干-外侧丘脑组) 。需要注意的是 这些组并不是完全互斥,不同组之间仍有部分靶脑区重叠。进一步分析还发现,不同大组内部存在不同形式的精细组织。例如BG组内部可以继续分成相对离散的亚投射系统,而CTX组更接近连续变化的投射梯度。 这些结果证明 血清素系统不是一个统一、随机扩散的投射网络,而是具有明确层级结构的系统 , 全脑尺度上存在5个主要projectomic groups,而每个组内部还能进一步表现为离散亚群或连续梯度。

接下来,作者继续分析 这些不同投射组是否对应不同类型的血清素神经元? 在分析 不同投射组神经元在DR和MR中的位置 时 , 作者 发现五组神经元虽然存在部分重叠,但具有明显的空间偏好。例如HPC组更多位于MR,而BG和BSLT组更多集中在DR特定区域。 随后,通过 结合逆行投射标记和空间转录组, 结果发现一个重要现象是: 一个转录亚型并不对应一个 投射组 。同一个转录亚型可以投射到多个系统,而同一个投射系统也可以由多个转录亚型共同组成。但即使两个神经元属于相同转录亚型,如果它们位于DR或MR中的不同空间位置,也可能具有不同投射靶点。 这就意味着 预测projectomic identity (投射组身份) 时,单独使用转录组或空间位置效果有限,而将两者结合后准确率明显提高。 这个现象也 解释了为什么传统 观点 的一个分子亚型对应一个神经环路的模型不足以描述血清素系统。

文章的最后,作者对这些不同投射系统产生的血清素功能进行剖析。 作者在不同投射组中特异删除 Tph2 (tryptophan hydroxylase 2,色氨酸羟化酶2),从而降低相应投射神经元的血清素合成,并系统检测焦虑相关行为、奖励、进食、恐惧记忆和应激反应等多种行为。结果发现,每个 投射组 都不是只控制一种行为,而是产生不同的行为组合。其中BG组最为突出:降低BG投射中的血清素后,动物表现出埋珠减少、禁食后进食增加、恐惧消退加快以及强迫游泳中不动时间减少。相比之下,CTX、MI和BSLT组在焦虑相关行为、重复行为和蔗糖偏好等方面表现出一定程度的共同变化。 在这些行为变化中,作者 还发现部分行为存在明显性别差异,即同一血清素投射系统在雄性和雌性中的效应可能不同。为了避免只依赖单一行为指标,作者进一步使用线性判别分析将多个行为整合到一个多维空间中。不同 投射组 在这个行为空间中形成不同特征,而且当作者更换同一投射组中的另一个靶脑区进行操作时,仍然可以得到相似行为特征。 这表明 真正决定行为表型的是projectomic group,而不是某一个特定注射脑区。

总的来说, 本研究通过全脑投射追踪,将中缝核血清素神经元划分为5个主要的 projectomic groups,并发现这些投射身份并非由单一转录亚型决定,而是由神经元的转录特征和中缝核空间位置共同定义。进一步的投射 组血清素功能分析发现 ,不同投射组会产生不同的多维行为表型,说明血清素系统并不是统一发挥作用,而是由多个具有不同解剖组织和功能特征的子系统共同调控行为。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.022

制版人: 十一

参考文献

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2. Ren, J., Friedmann, D., Xiong, J., Liu, C.D., Ferguson, B.R., Weerakkody, T., DeLoach, K.E., Ran, C., Pun, A., Sun, Y., et al. (2018). Anatomically Defined and Functionally Distinct Dorsal Raphe Serotonin Sub-systems.Cell175, 472–487.e20.

3. Ren, J., Isakova, A., Friedmann, D., Zeng, J., Grutzner, S.M., Pun, A., Zhao, G.Q., Kolluru, S.S., Wang, R., Lin, R., et al. (2019). Single-cell transcriptomes and whole-brain projections of serotonin neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei.eLife8, e49424.

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5. Okaty, B.W., Sturrock, N., Escobedo Lozoya, Y., Chang, Y., Senft, R.A., Lyon, K.A., Alekseyenko, O.V., and Dymecki, S.M. (2020). A single-cell transcriptomic and anatomic atlas of mouse dorsal raphe Pet1 neurons.eLife9, e55523.

6. Okaty, B.W., Commons, K.G., and Dymecki, S.M. (2019). Embracing diversity in the 5-HT neuronal system.Nat. Rev. Neurosci.20, 397–424.

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