大脑介观神经联接的图谱与功能
高精度全脑介观神经联接图谱绘制是全面阐明神经系统功能的必经之路。全脑介观神经联接图谱的绘制是生物科学最重要的前沿问题之一。大脑中神经元形态各异，尤其是复杂多样的神经元轴突结构对大脑中的信息传输极为重要。单个神经元轴突在全脑范围内的完整形态被称为单神经元投射谱。基于小鼠的单神经元投射谱研究在近年来取得了显著的进度，而非人灵长类的联接图谱则具有前所未有的难度。人脑中有近千亿个神经元，而要揭示大脑结构的组织规律，需要重构海量的单神经元投射谱。然而，用于重构轴突的亚微米分辨率的全脑成像数据体量巨大，比如小鼠全脑的数据高达TB量级，而猕猴脑数据甚至已经接近PB（1000TB）量级。传统神经元重构主要依靠手工方法完成，工作量大、极为复杂和耗时。如何在TB甚至PB量级的光学成像数据中准确、高效地重构出大量单神经元投射谱，是全脑介观神经联结图谱研究面临的一个巨大挑战。
猕猴和小鼠介观神经联接图谱
海马是学习记忆功能的核心脑区。徐春团队针对小鼠与猕猴的海马神经元，进行了更大规模全脑三维重构与投射规律分析。三维重构了上万个小鼠海马区单神经元的全脑投射轴突形态。阐述了海马神经元前后轴的轴突投射路径，归纳总结出43种全脑投射细胞类型。该研究将投射细胞类型与空间转录组数据进行联合分析，鉴定了与不同投射细胞类型空间分布相关的基因，揭示了全新的海马神经元投射模式以及海马体内外靶区的协调投射规律，阐明了双侧大脑投射的新规律，扩展了领域内的层状理论，全面展示了胞体与轴突末梢的空间映射关系，解析了海马神经元胞体位置与投射模式的对应关系，发现了海马单细胞的空间投射规律。小鼠海马投射谱的研究成果发表在Science期刊。
图 海马单神经元全脑投射规律的图示总结
2.前额叶单神经元投射谱
受益于介观神经联接图谱技术的进步，联合实验室通过团队攻关，建立了稀释标记单细胞和全脑三维重构的方法，并重构7千多小鼠前额叶神经元。严军团队通过重构和分析小鼠前额叶皮层单神经元的树突和轴突完整形态，全面刻画了前额叶皮层投射神经元树突的多样性和形态类型、揭示了神经元树突形态与轴突投射的关系、进而重构了前额叶皮层投射神经元类型之间的联接网络，为深入研究前额叶皮层的功能提供了重要线索，对神经元计算建模和启发人工智能也有重要意义。研究发表猕猴前额叶神经元具有与小鼠前额叶神经元相似的拓扑学投射规律，但表现出更高程度的目标特异性和更小的轴突末梢以及更加模块化的投射模式。小鼠相关研究成果发表在Nature Neuroscience杂志。猕猴相关研究成果发表在Cell 杂志。
3.中匈双方合作解析猕猴神经振荡的海马环路机制
海马为了研究猕猴海马介观投射联接，中方徐春和毛盾团队与匈方Viktor Vargar团队一起合作猕猴海马投射谱，聚焦海马theta振荡活动的环路机制，对比研究猕猴与小鼠的海马与隔核联接环路。目前该研究正在进行当中。
4.中匈双方合作解析树突生长的轴突投射谱
匈方Zoltan Nusser团队发现了海马锥体细胞存在一类特殊的细胞类型 – 轴突从树突上生长，而并非从胞体生长。Nusser团队与徐春团队合作解析了这一特殊细胞类型的全脑投射谱，发现其特定偏好的投射下游区域，这为进一步的记忆功能解析奠定了坚实的基础。该研究目前正在进行中。
左，从海马细胞树突上生长的轴突（黄色箭头）。右，树突生长的轴突全脑投射谱（未发表数据）
李澄宇团队通过学科交叉合作，通过我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq和高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq，成功绘制了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，并揭示了细胞类型组成和灵长类脑区层级结构之间的关系，为进一步研究各类神经元之间的连接奠定了分子细胞基础。研究团队以题为Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex在Cell期刊发表了研究论文。
(A) 数百种细胞类型在猕猴大脑不同位置（上）以及5张典型代表性切片（下）上的空间分布；（B）多种细胞类型呈现各层面的分布特异性；（C）五种细胞类型及其特征基因的空间分布和表达模式。
刘赐融和孙怡迪团队发现了小脑皮层内的功能连接梯度，即“小脑内功能梯度”，展示了不同小脑区域之间连接性的三维空间模式。通过实现空间转录组的三维重建和梯度分析，发现在所有猕猴、狨猴和小鼠三个物种中，功能梯度和转录组梯度都显示出明显的前后差异，且猕猴和狨猴之间的空间模式相似性高于它们与小鼠之间的相似性。研究团队创新性地将功能核磁成像数据与小脑空间转录组分析相结合，通过跨物种预测模型的验证，发现了基因表达与小脑内功能连接之间的密切关系，并且确定了与功能梯度相关的基因。这些基因在不同物种中的表达模式和富集的细胞类型存在差异，进一步体现了物种间的分子和功能差异。研究团队的研究成果发表在Science期刊。
