感覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換（sensorimotor transformation）是將感覺信息轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)過程，對(duì)大腦啟動(dòng)本能行為至關(guān)重要。盡管人們對(duì)感覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制和計(jì)算模型已有一定了解，其潛在的分子遺傳編碼機(jī)制幾乎完全未知。

2021年7月28日，北京生命科學(xué)研究所曹鵬課題組和中科院生物物理研究所王曉群課題組合作，在生命科學(xué)著名刊物 Elife 上在線發(fā)表了題為“Transcriptomic encoding of sensorimotor transformation in the midbrain”的研究論文。該研究以中腦上丘（superior colliculus, SC）這一參與早期感覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵腦區(qū)為對(duì)象，聯(lián)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和神經(jīng)環(huán)路功能分析的兩種方法，揭示了大腦啟動(dòng)攻擊/防御行為的分子遺傳編碼機(jī)制。研究者首先應(yīng)用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)鑒定了位于不同層面的上丘神經(jīng)元的標(biāo)志基因。其中Cbln2 和Pitx2 基因分別特異地標(biāo)記了上丘視神經(jīng)層（optic nerve layer，Op）和中間灰質(zhì)層層（intermediate gray layer，InG）的谷氨酸能投射神經(jīng)元。神經(jīng)環(huán)路功能分析進(jìn)一步表明這兩類神經(jīng)元分別參與了截然不同的兩個(gè)感覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過程：依賴于視覺的躲避天敵的本能防御行為和依賴于觸覺的捕食獵物的本能行為。

單細(xì)胞測(cè)序手段首次應(yīng)用于中腦上丘神經(jīng)元的分型研究

研究者首先通過10X Genomics對(duì)14,892個(gè)上丘細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。根據(jù)經(jīng)典的標(biāo)志基因，將上丘細(xì)胞分為興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)前體細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、纖毛細(xì)胞和腦膜細(xì)胞。然后分別將興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元進(jìn)一步劃分為9個(gè)和10個(gè)亞簇。為了解析環(huán)路特異性的遺傳編碼機(jī)制，研究者分別在vGlut2-IRES-Cre小鼠上丘的下游腦區(qū)LPTN （lateral posterior thalamic nucleus，外側(cè)后下丘腦核）和ZI（zona incerta，未定帶） 注射AAV2-retro-DIO-EGFP病毒。發(fā)現(xiàn)投射到LPTN和ZI的上丘谷氨酸能神經(jīng)元分別位于上丘的Op層和InG層。通過對(duì)表達(dá)EGFP的細(xì)胞進(jìn)行Patch-Seq和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了投射至LPTN的上丘Op層神經(jīng)元以及投射至ZI的上丘InG層神經(jīng)元的標(biāo)志基因。其中Cbln2和Pitx2分別特異性地在這兩類神經(jīng)元中表達(dá)。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元是躲避天敵和捕食獵物本能行為所必須的

研究者隨后構(gòu)建了特異標(biāo)記Cbln2+神經(jīng)元的Cbln2-IRES-Cre小鼠，并采用了能夠特異標(biāo)記Pitx2+神經(jīng)元的Pitx2-Cre小鼠。分別通過在這兩種Cre品系的上丘注射AAV-DIO-EGFP-2A-TeNT病毒特異性阻斷上丘Cbln2+細(xì)胞和Pitx2+細(xì)胞的突觸傳遞，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Op層的Cbln2+細(xì)胞是小鼠啟動(dòng)依賴于視覺的躲避天敵本能防御行為所必須的，而上丘InG層的Pitx2+是依賴于觸覺的捕捉獵物本能行為所必須的。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元分別編碼天敵的視覺信息和獵物的觸覺信息

通過在Cbln2-IRES-Cre小鼠上丘Op層和Pitx2-Cre小鼠上丘InG層注射AAV-DIO-GCaMP7病毒并進(jìn)行光纖記錄，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Cbln2+細(xì)胞對(duì)視覺刺激有較強(qiáng)反應(yīng)，而對(duì)胡須觸覺刺激無顯著反應(yīng)。上丘Pitx2+細(xì)胞對(duì)胡須觸覺刺激有較強(qiáng)反應(yīng)，而對(duì)視覺刺激無顯著反應(yīng)。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元接受完全不同的神經(jīng)輸入

通過RV tracing的方法，研究者發(fā)現(xiàn)上丘Cbln2+神經(jīng)元接受初級(jí)視覺皮層以及對(duì)側(cè)視網(wǎng)膜的輸入，而上丘Pitx2+神經(jīng)元?jiǎng)t接受初級(jí)觸覺皮層以及介導(dǎo)頭面部觸覺的三叉神經(jīng)復(fù)合體Pr5等的輸入。

上丘Cbln2+ 和Pitx2+神經(jīng)元通過不同的神經(jīng)環(huán)路啟動(dòng)本能行為

研究者通過對(duì)上丘Op層的Cbln2+細(xì)胞和InG層的Pitx2+的投射進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)這兩類細(xì)胞有著截然不同的投射腦區(qū)。通過在這兩類細(xì)胞中表達(dá)ChR2，研究者發(fā)現(xiàn)光激活上丘Op層的Cbln2+細(xì)胞在LPTN的投射可以觸發(fā)小鼠出現(xiàn)類似于躲避天敵的僵直（freezing）行為，而光激活上丘InG層的Pitx2+細(xì)胞在ZI的投射則可以促進(jìn)小鼠的捕食獵物行為。

綜上所述，此研究揭示了中腦上丘參與不同本能行為的神經(jīng)環(huán)路的遺傳編碼機(jī)制。審稿人認(rèn)為此項(xiàng)研究為后續(xù)領(lǐng)域內(nèi)研究中腦上丘神經(jīng)環(huán)路功能的遺傳編碼機(jī)制打下了很好的研究基礎(chǔ)，是單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)研究大腦神經(jīng)環(huán)路功能的一個(gè)典范。

本文通訊作者為北京師范大學(xué)吳倩教授、北京生命科學(xué)研究所的曹鵬研究員和中科院生物物理研究所的王曉群研究員。曹鵬課題組的博士后謝志勇、王曉群組博士研究生王夢(mèng)迪和劉澤源、廣州生物島實(shí)驗(yàn)室的尚從平研究員是研究論文的共同第一作者。這項(xiàng)研究也得到了北京腦科學(xué)與類腦研究中心羅敏敏實(shí)驗(yàn)室的大力支持，羅敏敏實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的稀疏標(biāo)記技術(shù)為這項(xiàng)研究提供了很大的支持和幫助。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等基金項(xiàng)目的支持。

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https://elifesciences.org/articles/69825#content

來源：NIBS