这项研究有助于理解神经系统物理结构以及大脑如何与脊髓进行通信。肌肉运动是由从大脑传递到运动神经元的信号实现的；然而，这些冲动通常会经过脊髓中间神经元的中转，然后才到达目标。大脑与这些高度多样化的“交换机操作员”细胞之间的连接尚未被充分理解。
为了更好地了解大脑如何与脊髓通信，圣犹达儿童研究医院的研究人员开发了一个全脑图谱，描绘了向V1中间神经元发送直接输入的大脑区域。V1中间神经元是一种对于运动至关重要的细胞。该图谱及其相关的三维交互式网站为学习更多关于神经系统物理结构以及大脑如何与脊髓通信提供了基础。该研究结果于今天发表在《Neurone》杂志上。
“几十年来我们已经知道运动系统是一个分布式的网络，但最终输出是通过脊髓实现的。”圣犹达发育神经生物学系的Jay Bikoff博士表示，“在那里，有导致肌肉收缩的运动神经元，但它们并不是孤立作用的。它们的活动是由分子和功能多样的中间神经元网络塑造的。”
尽管在理解大脑不同区域如何与运动控制的不同方面相关联方面取得了巨大进展，但这些区域如何连接到脊髓中的特定神经元仍然是该领域的盲点。中间神经元很难研究，主要是因为它们有数百种不同的、交织在一起的类型。
研究发现：
“这就像解开一串圣诞灯，只是它更具有挑战性，因为我们试图解开的是超过30亿年的进化结果。”共同第一作者Anand Kulkarni博士说道。
最近的研究进展表明存在分子和发育上不同的中间神经元亚类，但它们在网络通信中的位置仍然有很多未知。Bikoff说：“定义下行运动系统的细胞靶标对于理解神经对运动和行为的控制至关重要。我们需要知道大脑是如何传递这些信号的。”
为了剖析连接大脑和脊髓的电路，研究人员使用了一种基因改造版本的狂犬病毒，该病毒缺少表面的关键蛋白——糖蛋白。这抑制了病毒在神经元之间传播的能力。这使得病毒停留在其起源处。通过将这种糖蛋白重新引入特定的中间神经元群体，病毒可以跨突触跳跃一次，然后再被卡住。研究人员使用荧光标签跟踪病毒。通过追踪病毒的终点，研究人员可以确定哪些大脑区域与这些中间神经元相连。
3D地图使研究人员能够可视化这些连接：研究人员将这种方法应用于一种名为V1中间神经元的细胞，这些细胞之前已被证明在塑造运动输出中起着关键作用。这项工作使他们能够准确地追溯多个信号的来源回到大脑。
“我们只针对V1中间神经元，但这些实际上是高度异质的神经元群体，所以我们认为，‘让我们尽可能多地瞄准V1神经元，看看哪些投射到它们身上。’”Bikoff说。
研究人员使用连续双光子断层扫描技术来可视化这些神经元并生成一个三维参考图谱。该技术通过对脑组织进行数百个微米厚度的切片，揭示出荧光标记的神经元。该图谱使研究人员能够对连接不同脑结构与脊髓及相互作用的中间神经元的网络做出准确预测。
确定这些结构如何连接到脊髓，使研究人员能够进一步调查控制运动的神经回路，而配套的网络图谱将确保数据对所有人免费开放。“我们从行为角度来看，已经了解了一些已识别的大脑区域的作用，”Bikoff解释道，“但我们现在可以对这些效应是如何介导的以及V1中间神经元可能的作用提出假设。这对领域来说将是一个非常有用的假设生成引擎。”
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