Cell：更大数据分析揭示嗅球-皮层的单细胞水平空间投射奥秘

在大多数感觉方式中，神经元连接反映了行为相关的刺激特征，例如空间位置、方向和声音频率。相比之下，基于数十个神经元重建的嗅觉皮层的普遍观点是，连接是随机的。

美国冷泉港实验室Dinu F. Albeanu团队使用基于高通量测序的神经解剖学技术以单细胞分辨率分析了5，309个小鼠嗅球和30，433个梨状皮层输出神经元的投影。

对这个更大的数据集的统计分析表明，嗅觉皮层的连接是具有空间结构特性的。沿梨状皮层前后轴靶向特定位置的单个嗅球神经元也投射到匹配的、功能上不同的梨状外靶标。此外，来自靶梨状基因座的单个神经元也投射到相同匹配的梨状状外靶标，形成三元电路基序。因此，与其他感官模式一样，嗅觉信息在处理的早期阶段以协调的方式传递到功能不同的目标。

1. 使用神经元条形码映射OB输出的全脑投影

尽管基于光学成像的单神经元示踪最近取得了进展。由于神经过程的广泛交织，轴突追踪研究仅重建了数十个单独到皮层的投影，这个数字不足以分析它们在多个目标区域的分支模式的统计数据。作者推断，大规模增加映射的单个神经元的数量，以及在单细胞分辨率下挖掘多个大脑区域的投影，可能会发现以前基于有限的单细胞追踪数据而错过的投影模式的组织。

为了实现这些目标，该研究团队使用了两种单神经元投影映射技术（MAPseq）和通过测序解析的条形码解剖学技术（BARseq）。总体来说，该研究绘制了5，309个OB输出神经元的投影，相当于比以前所有单细胞连接研究的总和还多两个数量级的单个神经元投影。

图1 单个嗅球神经元的MAPseq和BARseq投影映射

2. OB预测与其目标的分布显示结构化相关性

为了确定预测的OB统计结构，首先使用 BARseq 根据其胞体的位置识别二尖瓣和簇状细胞。该研究团队将推定的二尖瓣细胞 (pMC) 定义为在二尖瓣细胞层具有胞体的细胞，将推定的簇状细胞 (pTC) 定义为在外部丛状层细胞。总之，单个pMC形成几个针对多个大脑结构的轴突分支，但这种连接是结构化的，以相关方式靶向区域的特定组合。

3. 沿A-P轴的OB-梨状皮层连接和梨状外靶区域的球共神经支配是相互依赖的

APC/PPC 沿 A-P 轴跨度为2.5 mm。单个pMC的轴突广泛靶向梨状皮层分支，并共同支配几个功能上不同的梨状外靶标。为了更好地理解这些投影的逻辑，该研究团队研究了梨状皮层内单个OB神经元投影的更精细的空间模式是否与它们对梨状外目标的共同投影有关。

为了验证这一假设，计算了在采样的四个梨状体外区域中找到的每个条形码序列的条件概率。该指标描述了球输出神经元轴突共同支配其他四个梨状外球主要目标的速率（投射强度），作为它们支配梨状皮层中哪个位置的函数。结果显示梨状外区域的OB共神经支配的分布随沿梨状皮层A-P轴的投影位置而系统和特定地变化。

图2.嗅球pMC投影平铺在梨状皮层的A-P轴上，并与梨状外靶区的共投射相互依赖

4. 狭而宽的pMC的投射在梨状皮层的A-P轴上差异平铺并支配梨状外球靶区域的不同结构域

根据梨状皮层和梨状外靶标的投影宽度和位置进一步的分析并确定了两个不同的pMC群体，分别为狭义投影（NP）和广泛投影（BP）。结果发现沿 A-P 轴的 OB 到梨状皮层连接与不同细胞类型两个二尖瓣细胞群（NP和BP）之间，以及NP和BP群内。因此，梨状皮层和梨状外区域的投影之间的这些系统关系可能反映了一般的布线原理。

5. 梨状皮层输出神经元沿A-P轴分布到不同的目标区域

沿梨状 A-P 轴的球状投影与其对梨状外靶标的共同支配强度之间的相关性，以及关于梨状内不对称前额-尾部梨状抑制的报告和梨状皮层输出投影中的偏差，提出了下游梨状皮质回路也沿着A-P空间梯度组织的可能性。

为了验证这一假设，作者使用MAPseq分析了沿A-P轴跨越5毫米的梨状皮层输出神经元的投影。结果发现投射到不同目标大脑区域的梨状皮层输出神经元在沿A-P轴的特定位置富集。

图3. 梨状皮质输出神经元的投影模式沿A-P轴系统组织

6.梨状皮层输入和输出沿 A-P 轴的匹配投影梯度

作者研究了梨状皮层输出是否形成让人联想到OB到梨状皮层输入的投影梯度。梨状皮层输出对AON，lENT和CoA的强度沿其A-P轴变化。这种组织可以实现并行计算和进一步的交叉引用，因为嗅觉信息通过直接和间接途径到达给定的目标大脑区域。观察到的梯度通过使用荧光微珠（RetroBeads）的逆行批量标记实验进一步支持。

因此，梨状皮层输出到不同的大脑区域形成沿A-P轴的投影梯度，这些梯度遵循APC / PPC中的不同斜率。

图4. 根据三元连接基序沿梨状皮层的A-P轴构建的平行嗅觉处理流的示意图

总 结

该研究团队使用具有单细胞分辨率的基于高通量条形码测序的映射研究了 OB 和 cortex 的介观水平连接，确定了多个 OB 到梨状皮质投影梯度，以及梨状皮质输出中的一组匹配梯度。作者发现 OB 神经元的特征组在梨状皮质的 A-P 轴上有差异，并且梨状皮质的输出相对于它们的梨状外目标沿着其 A-P 轴系统地组织根据三元连接基序沿梨状皮质 A-P 轴构造的平行嗅觉处理流的示意图靶向梨状皮质前部的OB输出神经元也可能投射到AON；目标梨状基因集中的神经元也通过投射到 AON 来完成三联征。

相同的三元组织在梨状皮质内沿其A-P轴的不同位置复制到其他目标区域，例如杏仁核 (CoA) 和外侧内嗅皮质（lENT）。作者建议沿着梨状皮质的 A-P 轴识别的三元回路基序构成了并行的基础，功能上不同的嗅觉处理流。该研究结果表明存在空间结构连接，无论是在 OB 和梨状皮质目标区域的非随机组合水平上，还是在更精细的分辨率下，在梨状皮质内。

此外，匹配的输入输出梨状投影梯度使三元电路图案能够连接梨状皮质内的特定位置和具有不同行为角色的额外梨状球目标。这与APC/PPC之间的解剖学和功能差异一致，并让人联想到其他感觉方式和边缘系统。

该研究结果还挑战了嗅觉皮层连接是一个白板网络的普遍观点。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.038

参考文献

Chen Y, Chen X, Baserdem B, Zhan H, Li Y, Davis MB, Kebschull JM, Zador AM, Koulakov AA, Albeanu DF. High-throughput sequencing of single neuron projections reveals spatial organization in the olfactory cortex. Cell. 2022 Oct 27;185(22):4117-4134.e28. doi: 10.1016/j.cell.2022.09.038. PMID: 36306734.

编译作者：Amy Yao（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）