2021年11月6至7日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所成立十周年庆典暨北京大学脑科学国际论坛成功举办。来自美国哈佛大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、英国伦敦大学学院、德国马普研究所、日本筑波大学、北京师范大学、中科院脑智卓越创新中心等国内外高校和科研机构的知名学者，从分子、细胞、环路、系统、认知、心理、计算、神经精神疾病等多个层面和角度，热情分享了他们在脑科学前沿研究的最新进展，并与线上线下观众频繁互动，在思维的碰撞中激荡出创新的火花。现陆续推出相关学术笔记，让我们重温精彩再出发！

　　本期推出的学术笔记，根据德国马普脑科学研究所（Max Planck Institute for Brain Research）Moritz Helmstaedter教授所作的题为”Cerebral cortex connectomics”的报告整理而成。

　　Moritz Helmstaedter教授作报告并与嘉宾观众交流

　　撰稿：饶思源

　　审核：陈良怡

　　连接组学为什在神经科学中重要？Moritz Helmstaedter教授指出在动物进化出更高级的神经系统的过程中，能够处理的神经信息快速增加，但是神经元的数目和种类上升得比较缓慢。这其中起到了关键作用的有可能是在进化过程中规模呈现指数式上升的连接组。2004年开创的3D序列切片表面扫描电镜SBEM(Serial block-face scanning electron microscopy)是研究连接组学一个有力的工具。此前，Moritz早期的工作在视网膜上开展了相关连接组学研究，发现了星爆无长突细胞与神经节细胞的连接影响视觉的方向选择性，这是SBEM在连接组学的一个有力应用。

　　此后，Moritz Helmstaedter教授的团队将研究重点转移到小鼠的大脑皮层中。哺乳动物大脑皮层的神经网络分支多，突触组装致密。想要在其中进行密集的重构连接组研究，挑战难度加大。如图1所示，Moritz Helmstaedter教授团队在小鼠的初级体感皮层（S1 cortex）第4层（L4），选定了约500,000μm³的区域，进行了序列切片和电镜扫描。他们之后通过自动重构和人工注释，进行密集的3D图像分割和配准与神经元重构。这个区域的大小较此前的工作扩大了将近两个数量级。得到的数据集中含有获得完整形态特征的89个神经元，但是包含了接近2.7m长的神经纤维，约个40,000突触，含有约34000个轴突和11400个突触后单元，提供了极其庞大的连接组信息。

　　图 1小鼠初级体感皮层的连接组学

　　那如何进一步使用和分析这一套连接组学信息呢？首先Moritz Helmstaedter教授的团队进行了依据连接组的空间信息进行轴突分类，他们分析了每个轴突的突触靶向目标的分布。如图2A所示，轴突的末端可能指向树突的树突嵴（spine），也可能指向树突轴（shaft）、胞体等位置。因为在哺乳动物的皮层中，抑制性中间神经元的轴突通常接触树突轴和胞体，而兴奋性的谷氨酸神经元轴突通常指向树突嵴。因此，依据轴突的树突嵴突触的比例多少，可以初步确定连接组数据中轴突的兴奋性和抑制性。进一步统计轴突末端突触所在的亚细胞区域，他们发现不同的轴突有不同的突触亚细胞定位偏好，抑制性轴突的偏好胞体、近端树突和顶端树突，不偏好轴突始段和光滑树突等位置；兴奋性轴突的末端则偏好于顶端树突、光滑树突、近端树突。

　　图 2 连接组学的轴突分类

　　观察胞体和树突上的突触的空间分布，他们还发现一个有意思的现象。丘脑皮质投射突触的密度呈现明显的梯度分布。皮层深度每加深50μm，丘脑皮质投射突触的密度就增加大约93%。为什么会出现这样的现象呢？其中一种可能是这样的梯度机制使L4神经元的突触输入多样性更高，可以使同一个神经元，指向浅层的树突接收更少的丘脑投射，指向深层的树突接收更多；另一种可能的原因是前面提到的不同轴突的突触定位偏好机制与突触的密度梯度机制互相平衡。

　　进一步分析所得到的连接组信息，发现与Hebbian可塑性相互映证。依据Hebbian理论，在长时程增强（LTP）会使得联合突触组（同一对突触前和突触后神经元间的所有突触）的突触变强，突触权重变得相似，尤其是LTP使得突触权重增强至接近饱和时，权重会高度相似；而长时程抑制（LTD）则会使得联合突触组的突触变弱，未减弱至饱和时相似度变低，而减弱至饱和后相似度反而变高。而在电镜重构数据集下，可以通过轴突-嵴接触面积的测量，来分析突触的权重。

　　因此，在连接组数据集中进行突触权重分析，就可以确定环路中在此前经历过可塑性变化的上限比例。此前大家发现，联合突触组的突触大小相似程度高于随机；Mortiz教授团队通过连接组数据中联合突触组的大量精确统计（共5290个兴奋性联合突触对），如图3所示发现具有突触权重（突触大小）相似的联合突触组分布广泛。相比于随机突触组合，同一突触前和突触后神经元的联合突触组更多地呈现有两个主要群体：的联合突触组由权重高度相似的大突触构成，15-19%的联合突触组由权重高度相似的小突触构成。说明有近似比例的突触环路经历了饱和的LTP和LTD。

　　图 3 连接组中突触对的平均面积大小和相似度分布（每一个点代表一个随机突触对，AADD代表同一对突触前突触后神经元间的突触对，即联合突触组）

　　综上所述，Moritz Helmstaedter教授团队在哺乳动物的大脑皮层中500,000μm³的区域进行了自动成像和密集重组，获得了一个复杂而又庞大的连接组学数据集，这是工程和技术上的又一突破。他们使用这种研究方法依据空间几何数据判定突触的兴奋性、抑制性，分类研究皮质-皮质投射和丘脑皮质投射。他们的连接组数据也为定量化地研究学习记忆中的长时程增强、长时程抑制提供了基础。

　　Moritz Helmstaedter教授展示的研究方法和研究结果在小区域内展示了大量的连接组信息，为研究哺乳动物中枢神经系统最基本的布线结构基础提供了启发。

　　参考文献

　　1. Motta, A., et al., Dense connectomic reconstruction in layer 4 of the somatosensory cortex. Science, 2019. 366(6469).

　　2. Denk, W. and H. Horstmann, Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure. PLoS Biol, 2004. 2(11): p. e329.

　　3. Briggman, K.L., M. Helmstaedter, and W. Denk, Wiring specificity in the direction-selectivity circuit of the retina. Nature, 2011. 471(7337): p. 183-8.