3月29日，《自然》（Naure）雜志在線發表以我院韓芸耘教授為第一作者的正文文章 “The logic of single-cell projections from visual cortex”。華中科技大學同濟醫學院88858cc永利官网為該論文的第一作者第一單位，論文的通訊作者為瑞士巴塞爾大學的Thomas Mrsic-Flogel教授和美國冷泉實驗室的Anthony Zador教授。該論文采用高通量的神經元示蹤和測序方法，對多個單神經元的軸突長距離投射模式進行了定量統計分析，證明大腦采取了多種模式進行信息分流處理，不同的分流模式是被有序地組織起來，這對保持大腦處理和利用信息的高效率非常重要。

大腦能夠執行複雜的計算任務，得益于具有不同功能的腦區的分工與合作：具有特定結構的腦區用于執行特定的計算功能，不同結構和功能的腦區之間的信息交互保證大腦工作的協同性。這樣的工作方式非常類似于大型電子計算設備，特定的計算模塊被優化來處理特定類型的數據和計算任務，特定信息被不斷分流到相應的計算模塊被逐層處理。因此，了解哪些不同的計算模塊之間存在着信息交互，在具有信息交互的計算模塊之間采用了怎樣的信息分流的規律，是建立類腦計算模型所必不可少的基礎。在以往的神經網絡結構研究中，研究者采用傳統的标記方法，确定了相互存在着軸突連接的腦區，發現大腦的神經網絡連接方式非常複雜，幾乎每個腦區都和數個其他腦區（通常大于20個）有連接關系。作為神經系統結構和功能的基本單位，單個的神經元所攜帶的信息和投射的目标區域可能存在很大的差異，從同一個腦區投射向其他多個腦區的這種連接可能包含着不同的信息分流規律：（1）單個神經元隻向一個目标腦區進行投射（一對一投射，圖1a）：每個下遊腦區接收到的從同一個區域輸送來的信息是完全割裂的。信息在流動過程中進行了過濾分流，減少了冗餘重複，并為單獨調控神經環路中的特異部分提供了獨立的信息通道，滿足認知學習對神經環路可塑性的需求。（2）一對多的投射模式：單個神經元同時投射到多個目标區域接收到從同一腦區傳遞來的信息是完全相同的。這種情況下，隻需要少量的神經元就可以将信息同步傳遞到下遊的全部區域，保證了信息的一緻性。在該種模式中，也可能存在兩種可能的情況：随機性一對多投射（圖1b，單個神經元随機組合投射向多個下遊腦區）和有序性一對多投射（圖1c，單個神經元有選擇地同時投射向特定的幾個腦區或有選擇地避免同時投射向特定腦區）。這些不同的投射模式，代表了信息分流處理的不同層級關系，對應着計算模型中不同模塊之間的不同構架方式，它們隻能通過定量統計多個單神經元的跨腦區投射結果才能獲得。

圖1. 神經元投射模式代表不同的信息分流規律

在該研究中，韓芸耘教授與合作團隊建立了在活體小鼠的視覺皮層内，可靠的電轉導熒光标記單個神經元的方法，結合連續雙光子斷層掃描技術對标記的神經元進行自動化的全腦尺度高精度成像，成功掃描了近百個神經元的形态圖像。利用自主開發的示蹤、圖像配準和分析軟件，對其中大部分神經元的軸突結構在全腦範圍内進行了3D重構，并定量分析了其投射區域的特征，發現小鼠初級視覺皮層的第2/3層的神經元中，隻有少量（約1/4）的神經元采用一對一的投射方式，大部分的神經元都采用了一對多的投射模式，同時投射向2-8個其他腦區。同時，利用條碼測序方法獲得了500多個神經元的軸突投射分布，并将其結果與單個神經元3D重構的結果相對比，首先驗證了RNA條碼測序結果的有效性。再對500多個神經元的投射模式進行統計分析，發現在初級視覺皮層發出的一對多的投射模式中确實存在着3組有序加強的單細胞共同投射目标和2組刻意回避的單細胞同時投射目标。這樣的投射模式可能代表了大腦分流信息的一種基本規律，能夠有效地提高協同度高的不同腦區的同步性，降低協同度低的腦區間的相互幹擾。這為建立模拟大腦功能的計算模型提供了重要的實驗支持。

本研究工作得到了國家自然科學基金青年科學基金項目的資助（2017.01-2019.12, 國家自然科學基金青年項目, 運用單細胞全腦示蹤技術解析小鼠初級視覺皮層（V1）的投射規律No.31600847）。

韓芸耘教授簡介：

韓芸耘教授為88858cc永利官网引進，2003年在清華大學獲得生命科學學士學位，2011年在瑞士聯邦理工大學洛桑分校獲得神經科學博士學位，主要研究神經突觸的信号傳導機制。2012-2015年在英國倫敦大學學院和瑞士巴塞爾大學從事博士後研究，重點探索小鼠視覺信号處理的神經網絡機制，繪制小鼠全腦連接組的精細圖譜。2015年12月起受聘為我校88858cc永利官网教授。該論文的大量工作由韓芸耘教授回國加入88858cc永利官网後，與Mrsci-Flgel教授和Zader教授的的團隊合作完成。

原文摘要：

Neocortical areas communicate through extensive axonal projections, but the logic of information transfer remains poorly understood, because the projections of individual neurons have not been systematically characterized. It is not known whether individual neurons send projections only to single cortical areas or distribute signals across multiple targets. Here we determine the projection patterns of 591 individual neurons in the mouse primary visual cortex using whole-brain fluorescence-based axonal tracing and high-throughput DNA sequencing of genetically barcoded neurons (MAPseq). Projections were highly diverse and divergent, collectively targeting at least 18 cortical and subcortical areas. Most neurons targeted multiple cortical areas, often in non-random combinations, suggesting that sub-classes of intracortical projection neurons exist. Our results indicate that the dominant mode of intracortical information transfer is not based on ‘one neuron–one target area’ mapping. Instead, signals carried by individual cortical neurons are shared across subsets of target areas, and thus concurrently contribute to multiple functional pathways.

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/nature26159