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2024年12月23日，美国田纳西州孟菲斯市圣犹大儿童研究医院发育神经生物学系Jay B. Bikoff团队在Neuron发表“A brain-wide map of descending inputs onto spinal V1 interneurons”，揭示了全脑下行输入至脊髓V1中间神经元图谱。
运动输出源于分布在多个脑区的神经回路的协同活动，这些神经回路通过下行运动通路将信息传递至脊髓。上位脊髓系统，即脊髓以上的神经系统部分，上位脊髓系统是如何精准地针对脊髓运动回路中各个不同组成部分进行调控尚不清楚。在此，作者结合病毒跨突触示踪技术与连续双光子断层成像技术，绘制了脊髓V1中间神经元（参与运动控制的主要抑制性神经元群体）的单突触输入全脑图谱。识别出26个直接支配V1中间神经元的不同脑结构，涵盖后脑的延髓和脑桥区域，以及皮层、中脑、小脑和神经调节系统。此外，作者发现脊髓上系统对V1Foxp2和V1Pou6f2神经元亚群存在广泛但有偏向性的输入。总体而言，这些发现强调了大脑和脊髓之间通信的复杂性和特异性，对于深入理解神经系统的运作机制以及探索相关疾病有着重要意义。
图一 对脊髓V1中间神经元下行输入进行跨突触追踪
为了探究脊髓上对V1中间神经元输入，利用了基于狂犬病毒（RV）的跨突触逆行追踪系统。虽然功能研究主要集中在控制运动的腰段脊髓回路中的V1中间神经元，但将重点放在颈段脊髓回路，是因为观察到颈段脊髓除了接收与腰段脊髓许多相同的下行输入外，还接收额外的前肢特异性输入，这可能反映了其参与诸如伸手、抓握和物体操纵等精细运动任务。四个主要由不同转录因子定义的V1亚群中，三个（V1Foxp2, V1Pou6f2,和V1Sp8）被有效靶向，而V1MafA/Renshaw亚群则对Cre介导的病毒报告基因表达具有抵抗力。通过STPT成像获得全脑的二维图像，并通过共聚焦显微镜量化起始细胞的位置和数量。结果显示，起始细胞的空间分布与亲代V1群体相匹配，局限于注射同侧，几乎没有超出目标节段的扩散。狂犬病毒感染的神经元群体扩展到V1分布之外，显示出更多背侧偏向于同侧的板层V和VI，并揭示出对侧板层VIII中的显著群体。揭示了控制前肢运动输出的V1中间神经元的具体输入来源，强调了颈段脊髓不仅接收与腰段脊髓相同的下行输入，还接受额外的前肢特异性输入，反映了参与精细运动任务的能力。总之，这些结果表明RV追踪策略为选择性靶向V1中间神经元以绘制突触前输入图谱提供了一种特异且高效的方法。
图二 上位脊髓对 V1 区中间神经元输入的整体特征
在获取了已配准和分割的、为颈段V1中间神经元提供单突触输入的RV-H2B-eGFP感染神经元的全脑数据集后，作者首先可视化它们在大脑中的总体分布。在五只动物中，发现后脑的神经元比例最高，特别是在延髓、脑桥和小脑，其次是皮层和中脑。起始细胞数量与脊髓上神经元数量之间存在很强的线性相关性，这表明尚未达到支配V1中间神经元的突触前群体的饱和状态。重要的是，脊髓上神经元的空间分布在不同动物间高度一致，这表明所识别出的脊髓上结构具有可重复性。10个延髓网状核提供了大量输入，尤其是巨细胞网状核（GRN, 20.2%）和大细胞网状核（MARN, 7.5%），这些区域与运动控制密切相关。多个延髓和桥脑结构（如PARN、IRN、MDRNv）参与前肢运动，特别是伸展和抓握动作。包括来自中缝核（RM, RO）、前庭核（MV, LAV, SPIV）等的输入，涉及姿势调整和平衡控制，间位核（IP）中的少量神经元直接投射到V1中间神经元。皮层输入占所有超脊髓神经元的近五分之一，反映了其在目标导向行为中的重要性。研究表明，颈段脊髓V1中间神经元接收来自多个脑区的广泛输入，尤其是延髓网状核和其他与运动控制密切相关的结构。研究揭示了V1中间神经元如何成为多个延髓结构的目标，这些结构负责不同的运动输出方面，强调了它们在协调复杂运动任务中的作用。除了延髓和桥脑外，皮层、中脑和小脑也提供了输入，进一步说明了V1中间神经元在网络整合中的关键角色。通过详细的全脑映射展示了颈段脊髓V1中间神经元的上游输入来源，为理解大脑如何精确调控脊髓运动回路提供了新的视角。
图三 顺行性解剖示踪以及突触连接性的生理学验证
用表达Syn-eGFP的腺相关病毒进行顺行追踪，评估VNC和GRN对V1中间神经元的神经支配，向 Chx10::Cre;En1::Flpo;RC.fsf.tdT小鼠GRN单侧注射AAV-FLEX- Syn-eGFP，发现多数Syn-eGFP小点位于同侧脊髓，与V1中间神经元位置重叠，近三分之一同侧V1中间神经元受Chx10 + GRN下行神经元支配；向VNC注射AAV-Syn-eGFP，也观察到其与同侧V1中间神经元的突触接触。用AAV1-Cre注入 En1::Flpo; RC.dual.tdTomato 小鼠的GRN或VNC进行顺行跨突触追踪，在颈脊髓节段观察到双侧tdTomato标记的V1中间神经元。向 Chx10::Cre; En1::Flpo; RC.fsf.tdT 小鼠GRN单侧注射AAV-DIO-ChR2-eYFP，使 Chx10 + GRN 轴突在脊髓表达ChR2-eYFP并与V1中间神经元形成假定突触接触。对急性颈脊髓切片中的GRN轴突进行光遗传学刺激，在电压钳模式下从谱系追踪的V1中间神经元记录到短潜伏期兴奋性突触后电流（EPSCs），潜伏期变异性低，符合单突触反应特征。且光诱发的 EPSCs 在 TTX + 4-AP存在时仍存在，在 AP5 + NBQX 存在时消失，表明其单突触、谷氨酸能性质。通过跨突触追踪确定的GRN对颈部V1中间神经元的输入代表功能性突触连接。
综上所述，生成了一个涵盖全脑的超脊髓输入到颈段脊髓V1中间神经元的图谱。研究发现，单突触输入来自超过二十多个脑区，其中一些脑区特别倾向于向分子定义上不同的V1亚群投射。这些结果为理解大脑如何与脊髓中间神经元进行通信提供了重要的解剖学基础。
文章来源
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.11.019
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