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首次发现!负责相爱相杀的脑区 脑细胞类型也会

2019-11-03 10:35

曾经有研究者对小鼠VMHvl部位的神经元给予电刺激,看看小鼠会出现什么行为。当刺激强度很大时,这些小鼠,无论是原本好斗的雄鼠还是原本温顺的雌鼠,都会变得充满进攻性,哪怕面前并没有出现任何威胁。而在刺激强度较小时,这些小鼠出现了交配行为。

背景

10月23日消息,近日,顶尖学术期刊《细胞》新近上线的一篇论文中,神经科学家带来了有关脑细胞性别差异的一项研究结果。据研究机构的新闻介绍,这是科学家“首次在哺乳动物的大脑中发现细胞类型有性别差异”。有趣的是,这些细胞所在区域是控制攻击行为和交配行为的脑区。

为联系SMART-seq鉴定出的17中转录特异细胞类型与解剖学定位,研究人员进行了顺序荧光原位杂交,并应用58个探针标记不同的SMART-seq细胞类型,通过比较seqFISH和SMART-seq的聚类分析结果,发现VMHvl的SMART-seq发现的类群和seqFISH发现的类群具有高度相关性,因此,seqFISH可以对SMART-seq分析出的类群在解剖定位上进行验证。

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图5. 使用CCA分析揭示行为激活、投射偏好及转录特征之间的关联

关于脑细胞

研究人员最后使用CCA分析,对SMART-seq和10X数据库进行了匹配,以验证在转录特异细胞类型、行为学激活和投射特异性这三者是否具有关联。研究人员观察到了SMART-seq和10X单细胞测序上具有非常好的匹配度 。但是令人惊讶的是,研究人员并未在转录特异细胞类型、行为学激活及投射偏好上发现清晰的一对一关联。唯一例外的是,上述提到的可被社交恐惧激活的Nup62cl细胞类群,具有显著的投射至lPAG偏好。

“我们的研究结果表明,哺乳动物大脑在细胞组成和基因表达水平上存在雌雄差异。”Anderson教授说,“但这些差异很细微,在功能上是否有重要差异还有待解释。”

图4. 使用基于10Xgenomics平台的单细胞测序技术揭示下丘脑VMHvl区转录特异的细胞类型

▲David Anderson教授是加州理工学院陈天桥雒芊芊脑科学研究院院长

David Anderson组一直以来致力于研究VMHvl区的不同神经元集群如何参与控制交配行为及攻击行为。该课题组曾使用神经元活动性记录的多种技术,如多通道电生理记录、c-fos catFISH原位杂交技术及在体钙成像记录技术,均揭示了该区域的神经元具有既有重叠又显著不同的神经元类群。因此,下一个研究问题是,VMHvl区的转录特异的细胞类型多样性与VMHvl神经元活动性之间是否具有关联?众所周知,通过SMART-seq技术结合即早基因表达分析极其困难。研究人员在数次尝试失败后,转而使用10X genomics来进行IEG分析,并避免了使用FACS进行细胞分选,最终从90只小鼠的下丘脑VMH得到了约15万个单细胞进行分析。

▲考察不同转录组类型的细胞与雌雄、雄雄间的行为激活的对应关系

2019年10月17日,来自美国加州理工大学的David Anderson研究组 在Cell杂志在线发表了题为 Mutilmodal analysis of cell types in a hypothalamic nodecontrolling social behavior的研究论文,通过比较两种独立的单细胞测序技术平台揭示了下丘脑腹中侧腹外侧 的细胞类型多样性,进而比较转录组异质性和神经元解剖学特异性、投射特异性及行为激活特异性的相互关联,发现除了极少数情况下,VMHvl区的转录组细胞类型与环路联系及行为特异激活之间并无清晰对应关联。

▲小鼠大脑切面中,红色指示的就是下丘脑VMHvl

基于该课题组一直以来侧重研究的VMHvlEsr1神经元,研究人员使用传统的病毒示踪及Fos荧光染色方法,对Esr+神经元在攻击行为、交配行为及male-female探究行为的激活状态进行了研究,发现被攻击行为激活的VMHvlEsr1神经元偏好投射至dPAG而非MPOA,这提示研究人员应该在CCA分析中找到某个既被攻击行为偏好激活、又只投射至dPAG,然而,研究人员未能鉴定出该类同时具有转录特异、行为激活范式特异、且投射偏好特异的神经元类群。

在不同性别的小鼠大脑中,研究人员也发现VMHvl区的细胞类型有所差别。雄性小鼠中的细胞类型更为多样,而有一些类型只发现存在于雌性小鼠脑中。

对于这15万个单细胞,研究人员分析出了29个转录特异的细胞类型,其中17个可根据其标志物归为VMHvl特异细胞类型,这些神经元同样也可以分为三大类,分别可被Esr1、Satb2、Dlk1进行标记。研究人员随后使用了八种不同行为范式研究基于10X技术的转录特异细胞类型和行为激活之间的关联。研究人员首先使用Fos作为神经元激活标记物,随后使用了139个不同即早基因作为神经元激活标记物,最后使用非活动依赖的差异表达基因进行区分,以研究转录特异细胞类型和行为激活之间的关联。研究人员发现,对于大部分社交行为,1-3个转录特异细胞类型可被激活,而这些单个细胞类型也可被多个行为激活,也有少部分类群仅被特定行为范式激活,如Nup62cl类群只可被社交恐惧行为激活,而Dlk1_1类群只可被交配行为激活。

我们知道,同一个个体内的所有细胞都包含同样的基因蓝图。不过,细胞的类型多种多样,例如在大脑中,就有各种神经元和不同的胶质细胞。这是因为,不同细胞内制造出产物的基因组合各有不同。

首先,研究人员使用SMART-seq对下丘脑VMH区的细胞类型进行了研究。该技术使用Nr5a1-Cre转基因小鼠对下丘脑VMH区大部分神经元进行特异性标记,随后使用FACS进行流式分选。该技术细胞采样率较低,每只小鼠略能采集到100个细胞,因此,研究人员最终从54只小鼠中得到4574个神经细胞,并分析得到46个转录特异的细胞类型。研究人员根据差异表达基因及对VMH区解剖结构,将这些细胞按照core/shell形态继续细分为VMH-out及VMH-in两大类,对其中VMH-in继续细分为VMHc/anterior VMH及VMHvl。该分析总共发现下丘脑VMHvl区具有17种转录特异的细胞类型。

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