近日，北京大學(xué)IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心王征實驗室與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院麻醉科王英偉主任團(tuán)隊、河南省人民醫(yī)院王梅云副院長團(tuán)隊鼎力合作，在Advanced Science在線發(fā)表題為“State-specific regulation of electrical stimulation in the intralaminar thalamus of macaque monkeys: network and transcriptional insights into arousal”的學(xué)術(shù)論文。該研究融合神經(jīng)影像、神經(jīng)調(diào)控、RNA測序技術(shù)，同時從基因表達(dá)、信號通路、功能網(wǎng)絡(luò)多個尺度揭示了深部電刺激丘腦板內(nèi)核（intralaminar nuclei of thalamus, ILN）誘發(fā)麻醉獼猴快速覺醒的腦網(wǎng)絡(luò)及人類物種保守的分子、細(xì)胞機(jī)制。

磁共振成像作為支撐平臺技術(shù)，與電生理、光遺傳、基因測序等多種技術(shù)快速發(fā)展結(jié)合（Finn et al., Nature, 2023），為探索大腦功能與行為表型的神經(jīng)環(huán)路及生物學(xué)機(jī)制開辟了新道路。王征實驗室長期聚焦神經(jīng)影像和神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在腦科學(xué)與腦疾病中的應(yīng)用，特別專注獼猴磁共振成像（Biol Psychiatry, 2016; Am J Psychiatry, 2021; Cell Discovery, 2021; eLife, 2022），近年來融合轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Nat Commun, 2023; Cell Reports, 2023）、神經(jīng)調(diào)控（Mol Psychiatry, 2022）等多個交叉方向取得了系列研究成果。丘腦與大腦皮層間的長程通訊，尤其是與丘腦板內(nèi)核ILN相關(guān)的通訊被認(rèn)為與覺醒（arousal）、意識緊密相關(guān)，例如Schiff等人通過電刺激ILN成功喚醒一位昏迷6年之久的植物人（Schiff et al., Nature, 2007）。然而，整合神經(jīng)調(diào)控與神經(jīng)影像技術(shù)來鑒定丘腦板內(nèi)核與大腦皮層各個區(qū)域之間的連接網(wǎng)絡(luò)十分挑戰(zhàn)，而且對其背后的分子細(xì)胞機(jī)制迄今知之甚少。研究團(tuán)隊首先在獼猴模型上搭建了磁共振成像同步的深部腦刺激 (DBS)系統(tǒng)，且同時實現(xiàn)了3T磁場兼容的多導(dǎo)腦電記錄標(biāo)識丙泊酚麻醉深度的技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上研究電刺激ILN是否能喚醒處于不同麻醉深度的獼猴，以及對應(yīng)的腦功能連接網(wǎng)絡(luò)模式。隨后基于團(tuán)隊前期構(gòu)建的獼猴全腦轉(zhuǎn)錄組圖譜（Nat Commun, 2023）, 系統(tǒng)分析了ILN驅(qū)動覺醒網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域特異性、皮層分層特異及細(xì)胞特異性的基因表達(dá)譜，并結(jié)合美國艾倫腦研究所發(fā)布的人類大腦轉(zhuǎn)錄組圖譜（Hawrylycz et al., Nature, 2012），評估覺醒在靈長類物種間的進(jìn)化保守性，圖1展示了整個課題設(shè)計邏輯思路和實驗流程。


圖1. 以腦功能影像網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)跨物種比較實驗方案

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在獼猴丘腦板內(nèi)核植入微電極后，應(yīng)用200微安，200赫茲的電流刺激能夠?qū)J猴從處于丙泊酚誘導(dǎo)的慢波振蕩（slow-wave oscillations）狀態(tài)中喚醒（表現(xiàn)為眼睛睜開、嘴巴蠕動以及明顯的心跳加快，圖2），但實施同樣幅值頻率的電刺激不能喚醒處于丙泊酚誘導(dǎo)等電位線（isoelectric lines）狀態(tài)的獼猴。深入分析同步記錄的功能磁共振成像信號，發(fā)現(xiàn)電刺激ILN誘發(fā)了額-頂-顳-枕葉以及殼核等多個區(qū)域的功能磁共振信號響應(yīng)。這些腦區(qū)主要參與多模態(tài)感覺信息處理、感覺運(yùn)動信息整合，由此形成了ILN驅(qū)動的覺醒網(wǎng)絡(luò)。


圖2. 電刺激ILN可促使處于丙泊酚誘導(dǎo)慢波振蕩狀態(tài)下的獼猴快速覺醒

面對ILN刺激選擇性激活的、分布在全腦不同區(qū)域形成的網(wǎng)絡(luò)，研究人員非常好奇：為什么唯獨是這些腦區(qū)產(chǎn)生響應(yīng)？他們之間的通路有什么特異性的生物學(xué)機(jī)制嗎？于是，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出功能網(wǎng)絡(luò)偏好（network-biased）的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，探究這個ILN驅(qū)動的覺醒網(wǎng)絡(luò)與大腦其它地方的基因表達(dá)到底有什么不同。根據(jù)獼猴全腦轉(zhuǎn)錄組圖譜中每個RNA采樣的空間坐標(biāo)位置，將覆蓋全腦110個腦區(qū)的878個樣本劃分是否屬于覺醒網(wǎng)絡(luò)，并保留了15275個基因開展差異表達(dá)分析。結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)其中2489個基因偏好表達(dá)于此覺醒網(wǎng)絡(luò)（其中1290個基因上調(diào)，1199個下調(diào)）。針對這些差異基因，ClueGO分析揭示了三個與離子通道相關(guān)的集群--"離子轉(zhuǎn)運(yùn)"、"底物特異性通道活動 "和 "通道活動"，凸顯了離子通道在覺醒網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。接下來，分別對上調(diào)基因和下調(diào)基因進(jìn)行了GO富集分析，發(fā)現(xiàn)上調(diào)基因高度富集了離子通道相關(guān)術(shù)語，包括表示生物過程的"離子轉(zhuǎn)運(yùn)"、"離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)"；細(xì)胞成分的"離子通道復(fù)合物"、 "鉀通道復(fù)合物"、"電壓門鉀通道復(fù)合物"；分子功能的"離子通道活性"、"陽離子通道活性"、"鉀離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)體活性"、"鉀通道活性"等。蛋白-蛋白相互作用分析進(jìn)一步確認(rèn)了這些差異基因主要集中在電壓門控鉀離子通道上。此外，研究團(tuán)隊利用猴腦單細(xì)胞和皮層分層RNA測序數(shù)據(jù)，檢驗這些差異表達(dá)基因是否特異性地富集在某些細(xì)胞類型或者特定的皮層位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顯著富集在興奮性神經(jīng)元、表達(dá)小清蛋白的抑制性神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞中。


圖3. ILN驅(qū)動的覺醒網(wǎng)絡(luò)偏好的差異基因表達(dá)及富集結(jié)果

覺醒被認(rèn)為是哺乳類物種間高度進(jìn)化保守的功能之一。因此，研究團(tuán)隊將在獼猴上鑒別的覺醒網(wǎng)絡(luò)映射到人類大腦上，同時結(jié)合Allen人腦轉(zhuǎn)錄組圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行跨物種比較。結(jié)果（圖4）發(fā)現(xiàn)在獼猴和人類大腦覺醒網(wǎng)絡(luò)中同時存在242個上調(diào)同源基因（占比30.87%）和110個下調(diào)同源基因（占比30.90%），且表達(dá)水平（log2FoldChange）顯著相關(guān)（p<2.2×10-16）。這些同源基因在人腦中也是高度富集在鉀離子通道，興奮性神經(jīng)元、表達(dá)小清蛋白的抑制性中間神經(jīng)元上。這些結(jié)果顯示了覺醒網(wǎng)絡(luò)在靈長類間高度進(jìn)化保守的分子和細(xì)胞架構(gòu)，更是創(chuàng)新性地發(fā)展了高通量方法篩選基因、分子、細(xì)胞組成等信息解析覺醒網(wǎng)絡(luò)特征。

值得強(qiáng)調(diào)的是，本項研究整合了神經(jīng)影像和神經(jīng)調(diào)控技術(shù)鑒別與覺醒相關(guān)的功能網(wǎng)絡(luò)，同時融入了多尺度轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，深入挖掘了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)底層的基因表達(dá)和細(xì)胞構(gòu)筑特征，發(fā)現(xiàn)了鉀離子通道在 ILN 驅(qū)動覺醒網(wǎng)絡(luò)中的興奮性細(xì)胞和 PVALB+ 細(xì)胞中的關(guān)鍵作用。除了應(yīng)用于麻醉場景，這項研究還為探索細(xì)胞和分子機(jī)制如何支撐人類大腦各種高級功能（如注意力、記憶、決策等）開辟了全新的研究思路。

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院麻醉科張釗博士和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生(一年級)黃翊淳為該文共同第一作者，上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院陳瀟宇博士，首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院神經(jīng)外科楊藝主任醫(yī)師，中國科學(xué)院昆明動物所呂龍寶正高級工程師、王建紅副研究員等共同參與完成此項目，王征研究員與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院麻醉科王英偉教授、河南省人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科王梅云主任共同為本文的通訊作者。本課題得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”，國家自然科學(xué)基金委，廣東省及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。


圖4. ILN驅(qū)動覺醒網(wǎng)絡(luò)的基因表達(dá)和細(xì)胞富集特征跨物種比較

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202402718

2024-06-28