Neuron丨最完整小鼠大腦神經元投射圖譜！科學家揭示單個神經元如何連接大腦功能與基因表達

你有沒有想過，我們的大腦究竟是如何工作的？就像一座超級城市，大腦里數以億計的神經元通過長長的信息高速公路——軸突相互連接，形成復雜的網絡。過去，科學家們主要了解的是不同大腦區域之間的宏觀連接，但每個區域的神經元成千上萬，它們究竟是如何分工的？我們一直缺少一張精確到單個神經元、覆蓋整個大腦的高精度連接軌跡圖。

來自復旦大學腦科學研究院許曉鴻和中國科學院神經科學研究所徐春/王曉飛/嚴軍教授研究團隊做了一項專門研究，標題為《Article Integrative analysis of single-neuron projectomes links connectome, transcriptome, and function in the mouse cortex 》，相關成果于2026年1月7日發表在《Neuron》期刊上。這項研究對小鼠全皮層近 2 萬個神經元進行了高精度投射組重建，識別出 346 種神經元投射亞型，揭示了皮質連接的嵌套模塊化和層級組織，闡明了皮質 - 基底神經節、皮質 - 丘腦投射的精細拓撲結構，且發現結構連接與基因表達、神經元活動高度相關，為解析大腦結構 - 功能關系提供了里程碑式的數據集和分析框架。

全小鼠皮層單個神經元投射組重建

首先，研究成功重建了覆蓋小鼠所有 43 個皮層區域的 18,621 個單個神經元投射組，這是目前最全面的小鼠皮層神經元連接數據集。通過fMOST 成像技術獲取亞微米分辨率的全腦圖像，結合Fast Neurite Tracer（FNT）神經突追蹤技術，研究者將神經元分為 6 大類谷氨酸能投射神經元，包括 L2/3 IT、L4 IT、L5 IT、L5 PT、L6 IT 和 L6 CT 神經元，總數分別為 7089 個、1117 個、3753 個、3649 個、573 個和 2440 個。

利用 9 種 Cre 驅動小鼠品系（Wfs1、Cux2 等）特異性標記不同皮層層的投射神經元，并結合野生型 C57BL/6 小鼠的無偏標記，確保了神經元類型的全面覆蓋。通過層級聚類分析，基于軸突形態差異識別出 346 個投射組亞型，其中 IT 神經元 201 種、PT 神經元 78 種、CT 神經元 67 種。這些亞型的胞體在小鼠皮層呈拓撲分布，每個皮層區域都存在多種富集的投射組亞型，為后續分析提供了豐富的基礎數據。

皮質 - 皮質連接的嵌套模塊化組織

為無偏分析皮質 - 皮質連接，研究將整個皮層劃分為 255 個體積相近的 “皮層柱”，其空間分辨率遠高于 Allen CCFv3 注釋的皮層區域。通過圖聚類分析，識別出 7 個皮質 - 皮質連接模塊，分別對應前額葉、視覺、聽覺、ACA/RSP 以及軀體運動區（MO）/ 軀體感覺區（SS）的三個子區域（MO/SS-1/2/3）。

這種模塊化組織呈現嵌套結構，例如視覺模塊內部進一步分為兩個子模塊，分別對應背側和腹側視覺流，初級視覺區（VISp）被劃分為前后兩部分，分別隸屬于不同子模塊。單個神經元在模塊內存在廣泛的多靶點投射，以 VISp 的 366 個 IT 神經元為例，84% 的神經元投射到多個視覺目標區域，僅 9% 投射到單一目標，且相同投射模式的神經元胞體呈空間聚集分布。前額葉模塊的節點具有顯著更高的參與系數，表明其在協調全皮層連接網絡中的獨特作用，部分前額葉神經元亞型（如 IT-30/31/45/63）可向其他模塊廣泛投射，體現了精細的自上而下調節機制。

基于層終止模式的皮質層級組織

研究量化了單個神經元軸突在皮層柱各層的終止分布，通過層級聚類將層終止模式分為 12 種離散類型，并根據已有文獻將其歸類為前饋（FF）或反饋（FB）投射。與以往批量追蹤研究相比，單個神經元數據揭示了更豐富的層終止多樣性，例如發現 PT 神經元雖主要投射到皮層下區域，但其側支可向 L1 發出 FB 皮質投射。

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基于單個神經元向目標柱的 FF/FB 投射性質，構建了柱水平的高分辨率皮質層級圖。該層級圖與以往研究的整體趨勢一致，但分辨率更高。單個神經元可同時存在 FF 和 FB 投射，通過層級指數量化顯示，從 L2/3 到 L6 IT 神經元，FB 神經元比例隨胞體層深增加而上升。

皮質 - 基底神經節投射的單神經元水平組織

研究系統分析了皮質 - 基底神經節投射，發現 IT、PT、CT 神經元向基底神經節投射的比例存在顯著差異：PT 神經元占比最高，IT 神經元次之，CT 神經元最低。IT 神經元的主要投射目標是同側和對側紋狀體，而 PT 神經元可投射到基底神經節的所有同側區域，包括紋狀體、STN、SNr和 GPe。

通過聯合投射模式分析，識別出 PT 神經元的 13 種投射模式，揭示了多種平行的超直接通路，包括向 GPe、STN 的單獨投射以及向兩者的聯合投射，部分 PT 神經元還可直接投射到 GPi 和 SNr，構成皮層到基底神經節輸出區域的最快通路。基于單個神經元輸入，將 SNr 劃分為 6 個子域，紋狀體劃分為 14 個子域，GPe 劃分為 6 個子域，GPi 和 STN 各劃分為 5 個子域，每個子域接收特定皮層區域的輸入，呈現高度拓撲組織。

皮質 - 丘腦投射的單神經元水平組織

研究發現，不同皮層區域的 PT/CT 神經元傾向于投射到不同的丘腦核群，且同一皮層區域的 PT 和 CT 神經元也表現出差異投射模式。與傳統 “跨丘腦” 模型不同，VISp、聽覺和軀體感覺區的 PT 和 CT 神經元均可投射到一階和高階丘腦核群，部分神經元僅投射到 LGd（一階）、僅投射到 LP（高階）或同時投射到兩者，為此提出了修訂后的皮質 - 丘腦投射模型。

基于單個神經元輸入，將丘腦網狀核（RT）劃分為 7 個子域，皮層區域與 RT 子域之間存在嚴格的拓撲關系，皮層的相對位置在 RT 子域的分布中得到鏡像反映。對 78 種 PT 亞型的分析顯示，運動區的 PT 神經元可分為丘腦投射型和延髓投射型，視覺區的 PT 神經元可根據是否投射到腦橋灰質（PG）分為兩組，且 PG 投射型神經元富集于背側視覺子域，非 PG 投射型主要位于腹側視覺域，體現了 PT 神經元在不同皮層區域的投射多樣性。

結構連接與基因表達、神經元活動的關聯

通過整合皮層范圍 Ca2?成像數據、空間轉錄組數據和Neuropixels 電生理記錄數據，研究發現結構連接強度與 Ca2?動力學相關性呈正相關，模塊內柱之間的 Ca2?信號相關性高于模塊間柱。功能連接和結構連接均存在兩個主要梯度，功能連接的梯度 1 從感覺運動區到視覺區，梯度 2 從單模態區到多模態區，與結構連接的梯度高度相關，表明皮層結構和功能連接的組織一致性。

轉錄組分析顯示，多個轉錄組亞類與皮質層級得分顯著相關，例如小白蛋白（PV）神經元密度與層級得分呈負相關，PV/SST 神經元比例也與層級得分呈負相關。基因本體（GO）分析表明，突觸活動、代謝過程等功能類別與皮質層級呈正相關或負相關。電生理數據顯示，層級得分與神經元的多種峰電位特征顯著相關，低層級神經元的動作電位峰 - 谷持續時間更短，高層級神經元更長，且這種相關性在淺層（L2/3、L4）和深層（L5、L6）神經元中均存在，體現了皮質層級的普遍分子和電生理基礎。

總結

該研究通過 fMOST 成像、神經突追蹤等技術，重建了小鼠全皮層 18,621 個單個神經元的投射組，識別出 346 個投射亞型，揭示了皮質 - 皮質連接的嵌套模塊化組織和高分辨率皮質層級，闡明了皮質 - 基底神經節、皮質 - 丘腦投射的精細拓撲結構，并通過多模態整合分析，建立了結構連接與基因表達、神經元活動的關聯，為理解小鼠大腦皮質神經網絡的組織原理提供了全面的基礎框架。

研究意義

1. 構建了目前最全面的小鼠皮層單個神經元投射組數據集，為后續腦科學研究提供了標準化的參考資源，相關數據已公開可訪問；

2. 揭示了皮質連接的嵌套模塊化、精細層級等組織原理，修正了傳統的皮質 - 丘腦、皮質 - 基底神經節投射模型，深化了對大腦網絡組織的理解；

3. 為理解大腦感覺處理、運動控制、認知等高級功能的神經機制奠定基礎，同時為神經發育異常、神經退行性疾病等腦疾病的病理機制研究提供參考，對人工智能神經網絡設計也具有啟發意義。

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.10.019

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