【Nat Neu】奥术天球！OHSU毛天怡课题组揭示岛叶皮层锥体细胞类型与环路组织及其功能特化

撰文：殁境神蚀者

岛叶皮层（IC）是进化保守的联合皮层枢纽，协调内外感知、稳态、情绪、学习与动机等多种功能。研究表明，IC功能差异源于解剖亚区：人类前背侧、前腹侧及中后部岛叶分别介导认知、情绪与感觉运动整合；啮齿动物前部岛叶主导认知，后部整合感觉信号，且前后功能沿轴向相互关联，共同通过岛叶内部连接以实现整合。

图片来源：Nature (2023)

岛叶的多种功能角色还与神经解剖学异质性紧密相关。小鼠与人类之间 保守的是，岛叶具有非典型层状构成，依据大脑皮层第4层（L4）的缺失、出现或完整存在，可分为无颗粒、少颗粒与颗粒亚区（分别为AI、DI与GI）。

功能多样性还可能与其差异性的长程投射相关，如至孤束核调节动机、至伏隔核及对侧岛叶介导社会行为、至丘脑参与认知与疼痛处理，至杏仁核各亚区则关联味觉、焦虑与厌恶状态。这些投射主要源自前后不同亚区，但岛叶信息加工的细胞学基础仍不清楚。

图片来源：Nature Neuroscience (2025)

锥体神经元及其局部连接构成了皮层连接的主干，对于皮层亚区的功能特化至关重要。基于解剖学属性、树突形态及电生理学特性的综合细胞分型，已揭示了初级皮层的功能机制。然而，对于包括岛叶在内的大多数联合皮层，系统性的细胞分型尚未可知。

现有关于岛叶神经元类型的知识大多源于定性的形态学描述。在灵长类中，von Economo神经元与叉形细胞——由其独特且刻板的形态所定义——仅发现于岛叶和前扣带皮层，而小鼠中类似神经元类型的证据仍然有限。此外，除与不同输入-输出区域通信外，不同细胞类型还可能形成独特的局部连接，以在各皮层区域内实现特定的信息处理。

然而，局部连接与其他细胞类型属性之间的复杂关联在初级皮层中通常缺乏全面描述，而在联合皮层中则更是未知。

图片来源：Brain Struct Funct. (2010)

2026年8月7日，《Nature Neuroscience》杂志在线刊登了俄勒冈健康与科学大学毛天怡课题组的最新重要工作，该研究基于1,130个小鼠岛叶锥体神经元，系统定义了具不同形态、投射、电生理及局部输入的细胞类型。部分第5层投射神经元形态高度精细，类似灵长类特征。细胞类型构成沿前后轴差异分布，某些类型接受非典型侧向局部兴奋性输入，促进岛叶内信息传播。

通过多模态数据，他们预测了分子标记物，揭示结构与功能的细胞关联，并发现岛叶内部后–前环路桥接丘脑–杏仁核通路，耦合味觉/内感受与感觉效价。

本研究为岛叶功能多样性的细胞机制提供了系统性框架与鉴定工具，意义重大！

岛叶具有多样化的环路架构

岛叶包含因颗粒状第4层（L4）逐渐出现而区分的不同亚区——无颗粒区（AI）、少颗粒区（DI）和颗粒区（GI），可能支撑不同输入–输出网络的整合。

为系统量化其细胞类型与局部环路，作者构建了岛叶解剖学可量化框架（图1a–d及扩展数据图1、2）。通过PV+神经元密度在AI与DI/GI间的差异（扩展数据图2a、b）及尼氏染色显示的层状结构（图1b），他们将大规模数据集配准至共同参考空间。经标注的尼氏切片（图1a、c及补充图1）被转换为平面展开图（图1d、扩展数据图1），以实现跨切片与动物的定量比较（扩展数据图1、2及补充图2、3）。AI皮层厚度由后向前沿5毫米跨度迅速增加（扩展数据图1e），其浅层与深层的相对厚度逐渐改变（扩展数据图1h）；DI/GI厚度向前增加的速度较为缓慢，主要源于L5扩张。由此，作者建立了各亚区的特异性分层界线（扩展数据图1h），强调了将细胞图谱配准至三维地形框架的必要性。

为探究岛叶细胞类型，他们采用全细胞膜片钳结合生物胞素填充，在急性脑片上记录锥体神经元电活动（图1e），重建树突形态并配准至其可量化框架（图1e及扩展数据图2c–f）。胞体位置映射至岛叶平面展开图（图1f及补充图2、3），以实现跨亚区与层面的全面覆盖（图1f、g），为研究细胞类型与解剖功能的关系奠定基础。

基于958个高质量树突重建（补充图4），作者提取形态学特征（补充表1），采用迭代一致性聚类分析（iCCA）筛选非冗余特征（扩展数据图3a–d），获得21种形态学类型（M型）（补充表2及补充图5），与其他皮层区域数量相当。他们依据层位分布与形态特征命名各M型（扩展数据图3f、g及4a，补充图6），并训练随机森林分类器，在保留数据集上达到约84.0%的准确率（补充表2，补充图7a及8a），为树突形态预测提供可靠工具。

M型分析揭示若干显著特征：t-SNE可视化显示相似形态彼此邻近，不同层细胞类型相互分离；L5大形态（M型14、16及17）与L5小形态（M型8及9）的分离凸显了典型L5a与L5b锥体神经元的存在。

与小鼠初级视觉皮层（V1）相比（扩展数据图4b–d），岛叶锥体神经元呈现更大的顶树突长度、分支数量及最大分支阶数，且非源于皮层厚度增加（皮尔逊相关系数 = 0.0794；扩展数据图4b）。L5b M型总树突长度超过10 mm（扩展数据图4b、c及补充图6b），在小鼠V1中未见相当类型（补充图7a、8a及9）。L5a与L5b的细长宽阔顶端丛状形态分别类似经典L5-IT与L5-ET投射神经元（扩展数据图4e、f）。经逆行标记验证（方法），两种岛叶投射类型的顶树突特征不同于其他小鼠皮层，但与猕猴及人类相应类型更为接近（扩展数据图4e、f），其精细化的突触后区室可能有助于整合复杂输入。

以上三段内容详见正文图2。

那么，不同类IC神经元投射性质是否相同呢？

图一 岛叶具有多样化的环路架构

岛叶M型在亚区中富集并具有偏好性投射靶点

鉴于岛叶亚区与长程输入-输出环路及功能相关，作者推测特定M型可能在这些亚区中富集以支持其独特功能，因此将岛叶M型映射至解剖学与投射靶点（图2及扩展数据图5a、b）。

尽管岛叶功能多样性的主因是沿前后轴的空间分离，但其精确分界线尚未明确。鉴于皮层与各层厚度沿长轴呈后-前向增宽（图1g及扩展数据图1），作者检验了M型是否沿此轴呈差异性分布。

他们发现，同一层内的数个M型，如L5b沙漏型与L5b宽型，分别表现出指向背前侧或腹后侧亚区的位置偏好（图2a及扩展数据图5a）。为系统量化此倾向，他们建立了一条客观的"地形分割"线，其沿岛叶长轴中心位于−1,052 ± 48 µm（图2b及扩展数据图5a）。由于AI延伸至岛叶前后轴大部分区域，他们据此将AI定义为背前侧AI（da-AI）与腹后侧AI（vp-AI），并配准至Franklin与Paxinos小鼠脑图谱（图2b）。基于此分割线（扩展数据图5a），位于L2、L5及L6的8个M型在da-AI或vp-AI中呈现显著富集（图2c），提示岛叶局部亚环路存在特化。

接下来，作者进一步探究AI与DI/GI是否包含不同M型组成。L5b沙漏型与L5b长宽型几乎仅见于AI（图2c）。位于DI/GI的L4丛状神经元类似初级视觉皮层典型L4形态，但岛叶中未发现棘状星形细胞，AI中也观察到少量L4丛状神经元。L3b细长型与L3b宽基底型形态最接近L4丛状神经元（扩展数据图4a），主要分布于da-AI（图2c）。

为鉴定投射神经元的输出特征，作者量化了投射至CeA、BLA、MD、PF/PO、NTS、NAc、内嗅皮层（Ent）或对侧AI（contra AI）的神经元胞体分布（图2d、e）。投射至contra AI、Ent、NTS、PF/PO及MD的神经元呈现层偏好，而皮质–纹状体及皮质–杏仁核神经元分布于L2–L6。将具有投射靶点信息的重建形态（n = 271；补充图4）映射至t-SNE空间，相同靶点的神经元共享重叠形态特征（图2f）。

投射靶点亦与M型相关（扩展数据图5b），如MD投射神经元多属L6丛状与L6细长型，而投射至杏仁核者多为L6短型。NAc投射神经元中表达Fezf2者主要富集于L5短宽型与L5丛状型（扩展数据图5b）。

综上，作者全面鉴定了与特定层位、位置分布及投射靶点相关的岛叶锥体M型（图3c），并鉴定出若干区分这些类型的分子标记物（扩展数据图5e、f）。

那么，其电生理性质如何呢？

笔者注：岛叶锥体神经元的形态学类型（M-type）通过对958个树突重建进行聚类分析，依据29个形态特征定义了21种亚型，涵盖L2至L6各层。其中L5b亚型（如沙漏型与长宽型）树突总长超10 mm，复杂度接近灵长类皮层神经元。

图二 岛叶M型在亚区中富集并具有偏好性投射靶点

不同的电生理特征与岛叶各层及M型相关联

为回答以上问题，作者分析了306个锥体神经元的全细胞电流钳数据（图3及扩展数据图6），通过iCCA基于16个特征鉴定出12种电生理特征谱（E-profile）（图3a、b，扩展数据图6a、b，补充表3）。t-SNE图揭示特定E-profile的显著特征（图3c、d及扩展数据图6c）。基于锋电位模式分组，作者分出三个主要电生理类别（E-class）——规则发放、簇状发放与锋电位适应（图3a、e）——此三类神经元在t-SNE图中良好分离（图4e）。簇状发放E-class（E-profile 6与8）通过短峰间隔与首峰间隔比例与其他E-profile严格分离（扩展数据图6b、d及补充图10），而V1中未见此严格分界。

与M型不同，12个E-profile未呈现明确层或位置偏好（扩展数据图6d），但各层中E-profile与E-class的组成存在差异（图3f及扩展数据图6d）。L2神经元主要为规则发放，L3呈现适应或规则发放但少有簇状发放，L5呈现全部三类。岛叶L2与L3在电生理上的分离与解剖学标注及M型一致（扩展数据图3f），可能有助于层面特异性的信息传递。

那么，其信号输入如何呢？

图三 不同的电生理特征与岛叶各层及M型相关联

岛叶锥体神经元接受非典型、侧向延展的局部兴奋性输入

为探究兴奋性输入谱，作者结合激光扫描光刺激（LSPS）与谷氨酸光解笼锁，系统考察AI神经元的兴奋性局部输入。代表性（图4a）及平均热图（图4b及扩展数据图7）揭示不同层锥体神经元输入的异质性来源与强度。其局部输入沿前后轴侧向延伸，有时源自DI/GI（图5a），不同于典型皮层。

基于各层来源的绝对输入水平，他们归纳了柱内（≤375 µm）及侧向（>375 µm）跨层信息流（图4c）。L2与L3虽常被归为浅层，但接收的局部输入存在差异（图4b、c及扩展数据图7d）：L3接收强于L2的输入，尤其来自L2、L3及L6。深层L5与L6接收来自屏状核及远离胞体位置的显著输入，L5接收来自浅层的最强且最远端输入（偏向后侧，可达1.5–2 mm；图4a–c及扩展数据图7d、e），L6接收来自深层的前后双向最强侧向延伸输入（图4b及扩展数据图7d、e、j）。这种侧向化输入不同于其他皮层典型微环路。

层内连接在所有层中均有存在，以L3最强（图4c）。相互层间连接表现为强下行（如L2→L5， L3→L5）与相对较弱上行（如L5→L2， L5→L3）输入。强下行输入在AI、无颗粒运动皮层及颗粒皮层中保守存在，但颗粒皮层中至L2/L3的强上行输入在无颗粒皮层或AI中均未观察到。

除基于层的分组外，作者还通过iCCA鉴定了9种原型输入特征谱（I-profile）（图4d–f，扩展数据图8）。其中，6种呈现显著侧向化输入（扩展数据图8d–f），且在t-SNE图中与柱状输入类良好分离（图4e）。与形态学类型的亚区偏好相似，da-AI或vp-AI神经元分别主要接收柱状或侧向输入（Fisher精确检验P < 0.001；图4f及扩展数据图8g），此优势仅见于L2与L6神经元，可能反映其功能分化，表面柱状或侧向整合的选择性取决于神经元的解剖学位置。

笔者注：光解笼锁（photo uncaging）是一种利用紫外激光脉冲照射脑片局部区域，使被化学修饰而失活的谷氨酸分子（即"笼锁"谷氨酸）瞬间释放活性谷氨酸，从而在空间和时间上精准模拟突触前神经元释放兴奋性递质的技术。

在本研究中，研究者采用激光扫描光刺激（LSPS）结合光解笼锁，对岛叶脑片上不同位点依次进行定点光刺激，并在目标锥体神经元进行全细胞记录，从而绘制出该神经元接收兴奋性输入的二维空间分布热图。该方法相较于电刺激具有单细胞级空间分辨率且无刺激伪迹的优势，使得研究者能够系统解析局部输入来源的层位分布与侧向延伸范围，揭示了岛叶锥体神经元接收来自远超典型皮层柱范围的侧向化输入这一非典型特征。

图四 岛叶锥体神经元接受非典型、侧向延展的局部兴奋性输入

多模态分析区分特定的岛叶细胞类型

为综合关联多种模态以定义细胞类型，作者生成了所有岛叶锥体细胞跨模态与属性的可视化图谱（图5a），可在交互界面中查询细胞类型与模态（https://insularatlas.flatironinstitute.org）。结合该可视化及其驱动的底层特征（扩展数据图4a、6b及8b），他们检验了通过特定特征区分细胞类型的能力及模态间关系（图5及扩展数据图9）。

首先，他们鉴定了区分细胞类型的显著特征（补充图11）。例如，L5丛状型与L5b沙漏型PF/PO投射神经元虽均接收强L3侧向输入（扩展数据图9a），但可通过锋电位特性与顶树突丛长度区分（图5b、c）。类似地，投射至杏仁核的L3b–L5a细胞类型可通过顶树突丛长度区分（补充图12）。其次，他们发现多对跨模态特征存在显著单调关联（图5d，补充图13），如电压凹陷大小与最大顶树突分支阶数相关（图5d及补充数据图13a），与HCN通道沿顶树突梯度分布的报道一致。该相关性还显示PF/PO投射神经元凭借大而复杂的树突树与强电压凹陷与其他投射神经元明显分离（图5d，另见图2c、3d、6e、f及扩展数据图5b）。除此外，形态特征在除L2外的所有层中均与电生理及输入特征相关（补充图13）。

再然后，作者将M型映射至电生理t-SNE图，显示同层多个M型共享电生理特性（图5e及扩展数据图9b），如大多数L5b神经元（M型14、16及17）呈现簇状与规则两种发放模式（图3e及5e），类似感觉皮层深层L5-ET神经元。投射靶点映射显示IT与ET神经元具有不同电生理特性（图5f）。尽管MD与PF/PO投射神经元层位重叠（图32、e），仅PF/PO投射神经元具上述L5b形态生理特征（图5e、f及补充图10）。

若干形态类型与投射靶点亦与特定局部输入模式显著关联（图5g–i及扩展数据图9c–f）。L5短宽型与L5b长宽型仅接收柱状输入（I-profile 2、3），而L6丛状型主要与侧向输入相关（I-profile 5）（扩展数据图9c、d）。投射至PF/PO、MD及BLA（非CeA、对侧AI或NTS）的神经元侧向输入频率显著更高（图6g）。NTS投射神经元可根据形态分为两组，具有不同局部输入（图5h）。投射至NAc的Fezf2⁺神经元主要呈现侧向I-profile（图5i及扩展数据图9f），提示投射靶点可进一步明确输入模式。

那么，IC投射谱如何呢？

图五 多模态分析区分特定的岛叶细胞类型

后-前向局部输入连接丘脑-皮质-杏仁核长程环路

为展示多模态数据集的功能研究价值，作者探究了侧向延伸输入谱（图4b、d）的行为相关性。解剖上，VPMpc及邻近PF优先支配后部岛叶，而投射至前部BLA的神经元位于前部岛叶（扩展数据图10a–d）。行为上，二者均关键参与条件性味觉厌恶（CTA）。鉴于BLA投射神经元优先接收侧向化局部输入（图4b、d及5g），他们假设这些输入连接传递味觉/内感受的丘脑核团与介导奖赏/行为选择的杏仁核。

为测试突触连接，他们在光刺激VPMpc/PF轴突（ChR2）时记录后部岛叶锥体神经元，发现可诱发动作电位（扩展数据图10e、f；14/29）。ChR2辅助环路示踪结果显示，前部岛叶神经元对后部光刺激反应强烈，而前部刺激反应微弱（图6a–d；前部反应 <后部反应10%，13 4），表明< pan> VPMpc/PF输入需经后–前向局部连接到达前部。该多突触性质由反应延迟（扩展数据图10g、h）及刺激–记录距离与观察到的后–前输入距离一致（图4b及扩展数据图10i）所支持。前部BLA逆行标记神经元优先对后部光刺激反应（图6e、f），表明丘脑信号经岛叶内后–前连接整合传递至BLA（图6g）。

最后，作者探究VPMpc–后部岛叶投射在CTA中的作用。采用破伤风毒素特异性抑制该突触（图8h），他们发现注射组较对照组CTA消退更快（图8i），提示该投射对CTA的维持至关重要。综上，VPMpc–后部岛叶长程输入对CTA必不可少，岛叶内偏向后侧的局部输入将这些丘脑输入连接至BLA。

图六 后-前向局部输入连接丘脑-皮质-杏仁核长程环路

本文的局限性

本研究全面详尽地解析、分类IC神经元，但仍存在以下局限性：第一，受技术限制，各神经元未能同步记录全部模态数据，跨模态关联主要依赖群体水平的统计推断；第二，局部环路分析集中于无颗粒区（AI），对DI与GI亚区的微环路解析不足；第三，所有数据均来自离体脑片，无法反映在体神经调质环境与行为状态依赖的动态调节；第四，预测的分子标记物（如Rorb-IRES2-Cre、Ntsr1-Cre等品系）未通过独立的转基因验证或原位杂交实验加以确认，分子身份与细胞类型及脑功能的真实对应性有待实验证实。

总结

岛叶皮层整合内感受与外感受信息，以介导体内稳态、情绪与学习。然而，与初级皮层相比，支配岛叶功能的细胞与环路基础知之甚少。本研究对1,130个小鼠岛叶锥体神经元进行了树突形态学、投射模式、电生理特性及/或局部输入的定量分析，将神经元映射至基于尼氏染色的岛叶定量模型之上。

借助改进算法，作者定义了21种形态学类型、12种电生理类型及9种输入类型，其中部分类型为岛叶所特有。若干类型呈现精细的树突结构，与灵长类皮层神经元相似。此外，形态学属性约束并可常预测其输入来源、电生理特征、投射靶点或分子标记物。8种形态学类型在功能上异质的前、后岛叶中呈差异性分布，从而为这两个亚区之间的定量划分提供了依据。特定类型接收源自远超皮层柱范围的岛叶内部兴奋性输入，这些输入在功能上桥接了一个连接感觉信息与行为效价的长程丘脑–杏仁核环路。

本研究为探究岛叶奠定了结构与功能基础，意义非凡！

参考文献

Jongbloets BC, Chen Y, Muniak MA, Gingerich IK, Maanum KA, Mao T. Pyramidal cell types and circuit organization of the mouse insular cortex reveal functional specializations. Nat Neurosci. 2026 Aug 7. doi: 10.1038/s41593-026-02391-0. Epub ahead of print. PMID: 42567966.

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