Neuron丨最完整小鼠大脑神经元投射图谱！科学家揭示单个神经元如何连接大脑功能与基因表达

你有没有想过，我们的大脑究竟是如何工作的？就像一座超级城市，大脑里数以亿计的神经元通过长长的信息高速公路——轴突相互连接，形成复杂的网络。过去，科学家们主要了解的是不同大脑区域之间的宏观连接，但每个区域的神经元成千上万，它们究竟是如何分工的？我们一直缺少一张精确到单个神经元、覆盖整个大脑的高精度连接轨迹图。

来自复旦大学脑科学研究院许晓鸿和中国科学院神经科学研究所徐春/王晓飞/严军教授研究团队做了一项专门研究，标题为《Article Integrative analysis of single-neuron projectomes links connectome, transcriptome, and function in the mouse cortex 》，相关成果于2026年1月7日发表在《Neuron》期刊上。这项研究对小鼠全皮层近 2 万个神经元进行了高精度投射组重建，识别出 346 种神经元投射亚型，揭示了皮质连接的嵌套模块化和层级组织，阐明了皮质 - 基底神经节、皮质 - 丘脑投射的精细拓扑结构，且发现结构连接与基因表达、神经元活动高度相关，为解析大脑结构 - 功能关系提供了里程碑式的数据集和分析框架。

全小鼠皮层单个神经元投射组重建

首先，研究成功重建了覆盖小鼠所有 43 个皮层区域的 18,621 个单个神经元投射组，这是目前最全面的小鼠皮层神经元连接数据集。通过fMOST 成像技术获取亚微米分辨率的全脑图像，结合Fast Neurite Tracer（FNT）神经突追踪技术，研究者将神经元分为 6 大类谷氨酸能投射神经元，包括 L2/3 IT、L4 IT、L5 IT、L5 PT、L6 IT 和 L6 CT 神经元，总数分别为 7089 个、1117 个、3753 个、3649 个、573 个和 2440 个。

利用 9 种 Cre 驱动小鼠品系（Wfs1、Cux2 等）特异性标记不同皮层层的投射神经元，并结合野生型 C57BL/6 小鼠的无偏标记，确保了神经元类型的全面覆盖。通过层级聚类分析，基于轴突形态差异识别出 346 个投射组亚型，其中 IT 神经元 201 种、PT 神经元 78 种、CT 神经元 67 种。这些亚型的胞体在小鼠皮层呈拓扑分布，每个皮层区域都存在多种富集的投射组亚型，为后续分析提供了丰富的基础数据。

皮质 - 皮质连接的嵌套模块化组织

为无偏分析皮质 - 皮质连接，研究将整个皮层划分为 255 个体积相近的 “皮层柱”，其空间分辨率远高于 Allen CCFv3 注释的皮层区域。通过图聚类分析，识别出 7 个皮质 - 皮质连接模块，分别对应前额叶、视觉、听觉、ACA/RSP 以及躯体运动区（MO）/ 躯体感觉区（SS）的三个子区域（MO/SS-1/2/3）。

这种模块化组织呈现嵌套结构，例如视觉模块内部进一步分为两个子模块，分别对应背侧和腹侧视觉流，初级视觉区（VISp）被划分为前后两部分，分别隶属于不同子模块。单个神经元在模块内存在广泛的多靶点投射，以 VISp 的 366 个 IT 神经元为例，84% 的神经元投射到多个视觉目标区域，仅 9% 投射到单一目标，且相同投射模式的神经元胞体呈空间聚集分布。前额叶模块的节点具有显著更高的参与系数，表明其在协调全皮层连接网络中的独特作用，部分前额叶神经元亚型（如 IT-30/31/45/63）可向其他模块广泛投射，体现了精细的自上而下调节机制。

基于层终止模式的皮质层级组织

研究量化了单个神经元轴突在皮层柱各层的终止分布，通过层级聚类将层终止模式分为 12 种离散类型，并根据已有文献将其归类为前馈（FF）或反馈（FB）投射。与以往批量追踪研究相比，单个神经元数据揭示了更丰富的层终止多样性，例如发现 PT 神经元虽主要投射到皮层下区域，但其侧支可向 L1 发出 FB 皮质投射。

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基于单个神经元向目标柱的 FF/FB 投射性质，构建了柱水平的高分辨率皮质层级图。该层级图与以往研究的整体趋势一致，但分辨率更高。单个神经元可同时存在 FF 和 FB 投射，通过层级指数量化显示，从 L2/3 到 L6 IT 神经元，FB 神经元比例随胞体层深增加而上升。

皮质 - 基底神经节投射的单神经元水平组织

研究系统分析了皮质 - 基底神经节投射，发现 IT、PT、CT 神经元向基底神经节投射的比例存在显著差异：PT 神经元占比最高，IT 神经元次之，CT 神经元最低。IT 神经元的主要投射目标是同侧和对侧纹状体，而 PT 神经元可投射到基底神经节的所有同侧区域，包括纹状体、STN、SNr和 GPe。

通过联合投射模式分析，识别出 PT 神经元的 13 种投射模式，揭示了多种平行的超直接通路，包括向 GPe、STN 的单独投射以及向两者的联合投射，部分 PT 神经元还可直接投射到 GPi 和 SNr，构成皮层到基底神经节输出区域的最快通路。基于单个神经元输入，将 SNr 划分为 6 个子域，纹状体划分为 14 个子域，GPe 划分为 6 个子域，GPi 和 STN 各划分为 5 个子域，每个子域接收特定皮层区域的输入，呈现高度拓扑组织。

皮质 - 丘脑投射的单神经元水平组织

研究发现，不同皮层区域的 PT/CT 神经元倾向于投射到不同的丘脑核群，且同一皮层区域的 PT 和 CT 神经元也表现出差异投射模式。与传统 “跨丘脑” 模型不同，VISp、听觉和躯体感觉区的 PT 和 CT 神经元均可投射到一阶和高阶丘脑核群，部分神经元仅投射到 LGd（一阶）、仅投射到 LP（高阶）或同时投射到两者，为此提出了修订后的皮质 - 丘脑投射模型。

基于单个神经元输入，将丘脑网状核（RT）划分为 7 个子域，皮层区域与 RT 子域之间存在严格的拓扑关系，皮层的相对位置在 RT 子域的分布中得到镜像反映。对 78 种 PT 亚型的分析显示，运动区的 PT 神经元可分为丘脑投射型和延髓投射型，视觉区的 PT 神经元可根据是否投射到脑桥灰质（PG）分为两组，且 PG 投射型神经元富集于背侧视觉子域，非 PG 投射型主要位于腹侧视觉域，体现了 PT 神经元在不同皮层区域的投射多样性。

结构连接与基因表达、神经元活动的关联

通过整合皮层范围 Ca²⁺成像数据、空间转录组数据和Neuropixels 电生理记录数据，研究发现结构连接强度与 Ca²⁺动力学相关性呈正相关，模块内柱之间的 Ca²⁺信号相关性高于模块间柱。功能连接和结构连接均存在两个主要梯度，功能连接的梯度 1 从感觉运动区到视觉区，梯度 2 从单模态区到多模态区，与结构连接的梯度高度相关，表明皮层结构和功能连接的组织一致性。

转录组分析显示，多个转录组亚类与皮质层级得分显著相关，例如小白蛋白（PV）神经元密度与层级得分呈负相关，PV/SST 神经元比例也与层级得分呈负相关。基因本体（GO）分析表明，突触活动、代谢过程等功能类别与皮质层级呈正相关或负相关。电生理数据显示，层级得分与神经元的多种峰电位特征显著相关，低层级神经元的动作电位峰 - 谷持续时间更短，高层级神经元更长，且这种相关性在浅层（L2/3、L4）和深层（L5、L6）神经元中均存在，体现了皮质层级的普遍分子和电生理基础。

总结

该研究通过 fMOST 成像、神经突追踪等技术，重建了小鼠全皮层 18,621 个单个神经元的投射组，识别出 346 个投射亚型，揭示了皮质 - 皮质连接的嵌套模块化组织和高分辨率皮质层级，阐明了皮质 - 基底神经节、皮质 - 丘脑投射的精细拓扑结构，并通过多模态整合分析，建立了结构连接与基因表达、神经元活动的关联，为理解小鼠大脑皮质神经网络的组织原理提供了全面的基础框架。

研究意义

1. 构建了目前最全面的小鼠皮层单个神经元投射组数据集，为后续脑科学研究提供了标准化的参考资源，相关数据已公开可访问；

2. 揭示了皮质连接的嵌套模块化、精细层级等组织原理，修正了传统的皮质 - 丘脑、皮质 - 基底神经节投射模型，深化了对大脑网络组织的理解；

3. 为理解大脑感觉处理、运动控制、认知等高级功能的神经机制奠定基础，同时为神经发育异常、神经退行性疾病等脑疾病的病理机制研究提供参考，对人工智能神经网络设计也具有启发意义。

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.10.019

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