基于肽型载体稀疏、高亮度标记鼠脑神经元

The study of distributions of neurites (e.g., dendrites and axons) of neural circuits in the brain is essential to understanding the relation between the structure and function of the brain. In this proposal, we will develop a new method based on peptide-based DNA delivery system to label neurons in mice sparsely and brightly. By combining this novel labeling method and an automated fluorescence micro-optical sectioning tomography system, we will obtain brain-wide dendrites, axons and long-distance axonal projections of single neurons in different brain regions at a one-micron voxel resolution. To the best of our knowledge, the mouse neuron labeling method presented in this proposal will be the first peptide-based labeling method for mouse neurons in vivo. We anticipate that this convenience and safe labeling method will be helpful tools for sparse neuronal labeling in vivo. Our results will provide useful guide to understand both local and long-distance neural circuits that are related to brain functions down to the neurite level.

为了在神经细胞通路水平阐明脑疾病的发生发展机制，更加精细的脑结构图谱成为一种迫切的需求，并已成为当前的研究热点之一。本项目拟将在国际上首次利用肽型DNA载体对鼠脑神经元进行稀疏、高亮度标记，并结合荧光显微光学切片层析成像系统，在全脑尺度亚微米水平获得不同脑区多种神经元的单个细胞完整三维树突、轴突及其长程投射的高分辨图谱。在此基础上，进一步结合病毒追踪技术，尝试构建这些稀疏标记神经元的跨一级突触神经回路网络结构的高分辨图谱，从而为理解单个神经细胞在复杂脑区回路的连接机制奠定基础，并为破译大脑复杂神经回路，获得高分辨精细脑结构图谱提供方法学上的可能。本项目建立的基于肽型DNA载体的新型鼠脑神经元标记策略将在神经生物学研究领域有着广泛的应用前景。

为了在神经细胞通路水平阐明脑疾病的发生发展机制，更加精细的脑结构图谱成为一种迫切的需求，并已成为当前的研究热点之一。本项目建立了一种基于重组酶质粒混合包装的鼠脑神经元稀疏、高亮度标记新策略，在鼠脑不同脑区，包括海马CA3，CA1，内侧前额叶皮层区，外侧前额叶皮层区，次级运动皮层，前边缘皮层和内侧轨道皮层等实现了稀疏（约10-250个神经元/全脑）且高亮度的神经元标记。所标记神经元胞体亮度相当于或高于Thy1-EYFP-H转基因鼠。注射位点附近的轴突和树突、轴突和轴突之间能很好区分，并且神经元的远端投射及轴突末端结构均可以清晰辨别。因此，在此基础上，结合荧光显微光学切片层析全脑成像系统，在全脑尺度、亚微米水平获得了包括次级运动皮层、外侧前额叶皮层以及眶额叶皮层等多个脑区的TB级完整全脑数据集，每套全脑成像数据包含约10000层含脑区定位信息的图像数据。利用所得到的全脑完整数据，对位于不同脑区共计75个锥体神经元神经元进行了全脑范围的追踪和三维重建，得到了单个神经元水平的树突、轴突及其长程投射的全脑亚微米水平高分辨分布图谱，并进一步对这些神经元的脑区分布、纤维长度、分支数及末梢数量等参数进行统计分析。在此基础上，进一步结合能跨一级网络追踪突触前神经元输入的狂犬病毒标记技术，获得了初级运动皮层在全脑尺度范围内全新的输入神经网络高分辨分布图谱，在全脑范围内众多脑区获得了高于已有报道一个数量级的输入强度，为重新认识神经环路提供了强有力的理论依据。因此，本项目建立的新型鼠脑神经元稀疏、高亮度标记策略及其在不同脑区的应用为理解单个神经细胞在复杂脑区回路的连接机制奠定基础，并为破译大脑复杂神经回路，获得高分辨精细脑结构图谱提供方法学上的可能，因此将在神经生物学研究领域有着广泛的应用前景。