了解神经元的形状或形态，并绘制它们通过树状分支（即树突）从其他细胞接收信号的图谱，是神经科学研究的长期目标。最终，这有助于阐明信息如何在大脑中流动，并确定与特定神经或精神疾病相关的差异。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）Jane and Terry Semel研究所和精神病学与生物行为科学系的X. William Yang实验室开发了新的复杂方法来绘制小鼠大脑神经元树突图谱，这些方法结合了大规模数据收集、基因标记技术和计算工具。
他们在《自然神经科学》杂志上发表的一篇论文中概述的研究方法，使他们能够创建小鼠大脑中两种基因类型的神经元的全面图谱，即D1型和D2型纹状体中等棘神经元（MSNs）。
"我们研究的主要目标是开发一种新的系统生物学方法来研究小鼠大脑中单个神经元的复杂形状（即形态），"这项研究的第一作者Chang Sin（Chris）Park博士告诉Medical Xpress。
"现代神经科学的基础是由Ramón y Cajal建立的，他使用高尔基染色法研究神经元形状已有百年历史。Cajal获得诺贝尔奖的工作表明，对大脑的基本理解需要对其基本组成部分——单个神经元——有深入的了解。"
为什么绘制神经元形态图谱具有挑战性
尽管过去几十年的技术进步使神经科学领域取得了显著进展，但绘制神经元的形态图谱仍然是一个关键挑战。通常，研究神经元的形状需要研究人员具备高级技术专业知识、设备和大量工作。
由于这些挑战，迄今为止，大多数实验室仅在小规模上对哺乳动物大脑中的单个神经元进行形态学分析，例如一次研究几十个神经元。此外，神经元通常只在2D脑组织切片中进行分析，而不是在厚而完整的组织中进行3D分析。
"尽管人脑中有约860亿个神经元，小鼠脑中有1亿个神经元，但据在线数据库显示，迄今为止只有约20万个神经元被成像并对其形状（称为树突）进行数字重建，"该论文的高级作者、本研究的主要研究员X. William Yang博士说。
"为应对这一挑战，我们的实验室获得了三项美国国立卫生研究院（NIH）BRAIN计划资助。我们致力于开发一系列基因和生物信息学工具，以前所未有的分辨率和规模研究小鼠大脑中基因标记的单个神经元的形态。"
研究神经元和树突形态的新工具
在早期研究中，UCLA的研究人员介绍了一种名为MORF小鼠的新型基因稀疏标记报告小鼠模型。这是一种可用于在小鼠大脑中明亮且稀疏地标记特定基因定义的单个神经元的模型。
"MORF小鼠通过简单地繁育小鼠就能高分辨率地捕获特定基因类型单个神经元的形状，这比之前劳动密集型的神经元标记方法（如染料或病毒注射）具有优势，"Yang和Park表示。
"在这项研究中，我们采用MORF小鼠进一步开发了一种新的系统生物学方法——称为树突组映射（dendritome mapping）——系统地绘制小鼠大脑中给定基因类型的数千个神经元的树突形状。"
作为近期研究的一部分，Yang、Park及其同事着手特别绘制小鼠纹状体中两种基因不同的神经元类型的树突形状，即D1型和D2型MSNs。这些神经元在控制自愿行为（包括运动和习惯及运动技能的学习）以及更高级的心理功能（如决策和语言）方面发挥着关键作用。
"D1型和D2型MSNs的功能障碍或退化与从运动障碍（如帕金森病或亨廷顿病）到精神疾病和药物成瘾等一系列脑部疾病有关，"Yang解释道。
"D1型和D2型MSNs是纹状体中的主要神经元，它们通过多巴胺D1型和D2型受体的差异表达对多巴胺高度敏感，因此得名。"
小鼠大脑中约有170-190万个MSNs。然而，先前的神经科学研究累计仅绘制了约500个D1型和D2型MSNs的形态图谱。
"由于BRAIN计划最近基于分子标记的表达在小鼠和人脑中识别出数千种神经元类型，因此仍然存在重大知识缺口，"Yang和Park表示。
"具体来说，对于这些分子或基因定义的任何神经元的形态形状知之甚少。我们的树突组映射为研究两种基因定义的神经元类型——纹状体D1型和D2型MSNs——的全脑树突形态提供了首个概念验证。"
小鼠神经元树突的大规模探索
为了大规模研究小鼠纹状体中的神经元树突，Yang、Park及其同事开发了一种新的可扩展方法，他们称之为"树突组映射"。首先，他们分析了十二只健康小鼠或表达人类亨廷顿病致病突变基因的小鼠大脑中超过3,700个D1型和D2型MSNs的形态。
"这些神经元通过我们的MORF3基因稀疏标记报告小鼠进行了稀疏而明亮的标记，并在厚的iDISCO透明化脑切片中成像，以捕获其完整的3D形态，"Park表示。
"与我们的同事Daniel Tward博士和Hong-Wei Dong博士的实验室合作，我们开发了一个集成的计算流程，其中包含一种新算法，将厚脑切片注册到3D小鼠脑参考图谱（称为CCFv3），简化了数字神经元重建过程，并使用每个神经元的31个形态测量特征对神经元形状进行综合统计分析。"
为了更详细地分析神经元的形状，Yang、Park及其同事设计了一种高度创新的基于体素的分析工具。这是一种高级方法，可以以比其他现有方法显著更精细的分辨率研究神经元形态的空间变化。
"与Tward博士密切合作，我们将整个数字小鼠脑（CCFv3）划分为7,020个立方体——每个立方体边长为500微米——结果在纹状体中形成了210个晶格立方体，"Yang解释道。
"然后，我们用形态测量表示（称为'特征形态'）总结了每个立方体中所有MSNs的形态（每个立方体最多数十个），该方法灵感来源于加权基因共表达网络分析方法（即WGCNA），并对立方体进行聚类以识别具有共享形态测量的区域。"
研究团队的关键发现及其意义
总体而言，团队分析的结果表明D1型和D2型MSNs具有非常相似的形态，但前者略大于后者且更为复杂。值得注意的是，研究人员发现这两种MSNs之间的差异仅在纹状体的特定亚区域中才显著。
"使用'立方体分析'，我们发现纹状体MSNs被组织成具有共享'树突模块'的MSNs组，这些模块内的树突特征惊人地相似，而模块之间的特征则相当不同，"Yang和Park表示。
"这一发现以前是未知的——因为许多神经科学家（包括我们自己）认为纹状体中绝大多数MSNs具有相似的形态。"
UCLA团队还发现，给定树突模块中的MSNs位于相邻的"立方体"中，形成了他们所谓的"形态学区域"，这些区域通过轴突（即传输信息的神经细胞长突起）接收不同的皮质纹状体输入。这表明MSNs的不同树突结构与其连接到皮层部分的差异有关。
"我们的研究还表明，树突组映射可以用于以极高的分辨率研究神经病理学，"Yang表示。"我们发现衰老会导致D1型和D2型MSNs均匀萎缩，这种现象称为树突萎缩。而亨廷顿病小鼠模型则显示出D1型和D2型MSNs中更微妙且差异性的树突缺陷。"
为未来研究铺平道路
这项近期研究的结果突显了Yang实验室和UCLA合作者设计的系统生物学方法研究神经元形状的潜力。
未来，研究团队的方法可以改进并被其他神经科学实验室用来调查特定神经元群的形态与不同神经或神经精神疾病之间的联系。
"我们的工作提供了成年小鼠脑中全纹状体D1型和D2型MSN树突形态图谱，"作者表示。"该数据库可作为未来研究哺乳动物脑中这些重要神经元类型发育、生物学和病理学的参考。"
利用他们新设计的方法，研究人员首次进行了无偏见的3D脑图谱和基于立方体的树突形态分析，达到如此精细的分辨率。虽然他们的研究集中在D1型和D2型MSNs上，但他们的方法可用于研究大脑中其他基因定义的神经元的树突空间组织。
"我们收集的结果表明，电路特异性神经元通信可能是MSNs中树突变异的来源，也可能适用于其他基因定义的神经元类型，"Yang和Park表示。"这一假设应在未来的研究中进一步调查。"
基于初步发现，作者认为树突组映射是一种高度敏感的技术，可以帮助识别与特定疾病或障碍相关的单个神经元形态的模式。未来，他们希望他们的方法能帮助更好地理解特定神经或神经精神疾病，可能为新治疗干预的发展提供信息。
"我们目前正在几个方向上扩展我们的研究，"Yang表示。
"首先，我们正在调整我们的MORF方法，不仅能在小鼠大脑中标记基因定义的神经元，还能实现基因扰动（例如功能获得或功能丧失研究）。后者可能使我们能够研究基因与神经元形态和连通性之间的因果关系，并识别疾病病理的新修饰基因。"
基于初步结果，Yang、Park及其同事现在正在进一步扩展他们的MORF成像技术和分析工具箱。他们丰富的工具包可能很快允许研究人员通过一种称为光片显微镜的技术在完整透明化的小鼠大脑中对MORF标记的神经元进行成像，并使用新的生物信息学工具分析大型神经元图像数据集。
"我们还将MORF技术和树突组映射应用于研究神经退行性疾病的发病机制，包括阿尔茨海默病和亨廷顿病，"Yang补充道。
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