《科学》：吃、喝、害怕，这些“简单”的事情科学家终于看清大脑是怎么办到的
《科学》：吃、喝、害怕，这些“简单”的事情科学家终于看清大脑是怎么办到的学术经纬·
2020/10/30
论文标题：Behavioral state coding by molecularly defined paraventricular hypothalamic cell type ensembles
作者：Shengjin Xu , Hui Yang , Vilas Menon , Andrew L. Lemire , Lihua Wang , Fredrick E. Henry , Srinivas C. Turaga , Scott M. Sternson
期刊：Science
发表时间：2020/10/16
数字识别码：10.1126/science.abb2494
摘要：Brains encode behaviors using neurons amenable to systematic classification by gene expression. The contribution of molecular identity to neural coding is not understood because of the challenges involved with measuring neural dynamics and molecular information from the same cells. We developed CaRMA (calcium and RNA multiplexed activity) imaging based on recording in vivo single-neuron calcium dynamics followed by gene expression analysis. We simultaneously monitored activity in hundreds of neurons in mouse paraventricular hypothalamus (PVH). Combinations of cell-type marker genes had predictive power for neuronal responses across 11 behavioral states. The PVH uses combinatorial assemblies of molecularly defined neuron populations for grouped-ensemble coding of survival behaviors. The neuropeptide receptor neuropeptide Y receptor type 1 (Npy1r) amalgamated multiple cell types with similar responses. Our results show that molecularly defined neurons are important processing units for brain function.
所属学科：神经科学
医学
（导读 阿金）大脑使用适应系统分类的神经元编码行为，但尚不清楚其中的分子识别机制作用。本研究使用钙和RNA多重活性（CaRMA）成像技术，基于活体记录下的单神经元钙离子动态学，同时监测了小鼠室旁下丘脑（PVH）上百个神经元的活动情况，PVH使用分子定义的神经元群实现组合式组装编码生存行为。分析结果表明这类神经元在处理大脑功能单元过程中发挥重要作用。
▎药明康德内容团队编辑
如果大脑是一种容易理解的简单东西，那么我们就会因为头脑简单而理解不了它。——Lyall Watson
饿了要吃，渴了要喝，遇到威胁感到害怕，都是自然进化过程中我们赖以生存和繁衍的基本能力。然而，对于指挥身体的大脑来说，这些看似简单的活动，也有着惊人的复杂性，需要各种不同的神经细胞协作完成。
在顶尖学术期刊《科学》的最新一期上，美国霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的神经科学家介绍了他们历时五年开发的一种成像技术，得以解码大脑中不同类型的神经细胞如何展开合作，从而使小鼠产生进食、喝水、害怕等十多种行为状态。
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“在这项研究中，我们从头搭建了一套成像平台，以试图全面、系统、无偏好地研究基因表达、神经元活动和动物行为之间的关系。”这项研究的第一作者、共同通讯作者徐圣进博士说。“这种全新的方法和视角，将为理解和治疗神经疾病提供科学指导。”
http://cdn.linkresearcher.com/7m1kh4il-fuvl-cv2w-mshb-ji54gwhq▲徐圣进博士是该研究的第一作者和共同通讯作者（图片来源：研究作者提供）
研究人员介绍，如果把大脑比作管弦乐团，那么它的各种功能就相当于演奏的不同乐章，而其中不同类型的神经细胞就好比不同的乐器。在这项工作中，科学家们决定听一听小鼠“PVH乐团”的演奏。
PVH，即下丘脑室旁核，是调节饮食、压力、繁殖的一个关键脑区，其中的神经元通过释放催产素、加压素、促肾上腺皮质释放激素、促甲状腺激素释放激素等多种激素，影响动物的种种本能行为。
在这项工作中，研究人员首先对PVH的神经元进行了细致的分类。通过单细胞RNA测序，研究人员鉴定出了12种标志性基因，并根据这些标志性基因在细胞中的表达程度，将神经元定义为了10种分子类型。
http://cdn.linkresearcher.com/ktiw2rv9-064q-4s5m-3rma-mq0fx4al▲根据标志性基因的表达，PVH神经元可以分成10种分子类型（图片来源：参考资料）
接下来是这项研究的亮点所在。为了分析这些神经元类型在多种行为状态下的活动，研究小组开发了一种新技术，名为CaRMA（Calcium and RNA multiplexed Activity）成像。
第一步，在小鼠处于饥饿、进食、干渴、喝水、惊恐等行为状态时，利用双光子钙成像技术和梯度折射率柱镜（GRIN lens），同时记录PVH中数百个神经元的活动变化；第二步，利用原位RNA荧光标记检测，检查标志性基因在这些神经元中的表达情况，以确认它们所属的分子类型。
http://cdn.linkresearcher.com/f3um45g8-g7aw-zlg3-gsm2-b48h9te3▲CaRMA成像技术示意图（图片来源：参考资料）
应用CaRMA成像方法，研究人员发现，在特定行为中，同一种分子类型的神经元有着相似的反应方式。这意味着，根据神经元的基因表达谱，就可以预测它们在特定行为中会有怎样的活动。
进一步分析在11种行为状态下的神经元活动，他们发现一种类型的神经元并非只参与一种特定的行为。就像乐团的一种乐器，并非只在一支乐曲中独奏，而是会根据需要和其他乐器配合，参与多个乐章的演奏。
http://cdn.linkresearcher.com/tlv76gck-uz2p-sd20-pv9n-i19e8o5h▲10种类型的PVH神经元以不同的活动形式进行组合，编码不同的行为状态（图片来源：参考资料）
有趣的是，研究人员还找到了这支乐团的“指挥”。运用机器学习，系统分析了神经细胞的功能和基因表达之间的关系后，他们发现，多类神经元中Npy1r（1型神经肽Y受体）的表达量，最能预测神经元在各种行为状态下的功能反应，这提示神经肽Y很可能就是PVH神经乐团的指挥。
http://cdn.linkresearcher.com/ocebhlk3-74j9-wkvp-6mre-uwyi4o2v▲神经肽Y可以调节PVH多种神经元在不同行为状态下的反应（图片来源：参考资料）
研究共同通讯作者Scott Sternson教授介绍，这些发现挑战了过去对大脑功能组织的一些理解。因为现有的主流观点认为，每一类PVH神经元都会承担一种特定的功能，并对特定的触发条件做出反应。但利用CaRMA成像技术得到的结果表明，事实并非如此。“至少在调控饮食和压力的PVH中，不同类型的细胞是通过不同的组合方式，来编码多种行为的。”
至于在其他脑区，各种类型的神经元是如何参与和调控不同行为的，现在还没有答案，但CaRMA成像为回答这些问题提供了技术保障。除了揭示大脑的正常功能外，Sternson教授指出，这种方法将神经元的活性与其潜在的分子组成相关联，还可以帮助我们理解大脑疾病，为设计新疗法迈出重要一步。
题图来源：123RF
参考资料 Shengjin Xu et al., (2020) Behavioral state coding by molecularly defined paraventricular hypothalamic cell type ensembles. Science. Doi: https://doi.org/10.1126/science.abb2494 A new technique links gene expression to neuron activity during survival behaviors
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