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Cell | 骆利群团队拆解全脑血清素系统:五大投射网络连接神经元身份与行为功能

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撰文 |Sure

5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT) 又称 血清素 , 是一种高度保守的神经调节物质,在哺乳动物中参与奖赏、学习、焦虑、社会行为和进食等多种功能。临床上选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitors,SSRIs) 也广泛用于抑郁症、焦虑症等精神疾病。脑内血清素神经元主要位于背侧中缝核(dorsal raphe nucleus,DR) 和中缝正中核(median raphe nucleus,MR),虽然数量极少,但轴突几乎遍布全脑【1】。传统研究往往把DR血清素神经元作为一个整体进行激活或抑制。但近年来单细胞转录组和环路研究发现,血清素神经元具有明显异质性【2-6】。例如,投射到眶额皮层和中央杏仁核的DR血清素神经元具有不同的解剖、分子和功能特征。 因此,一系列的科学问题亟待解决:全脑血清素系统究竟由多少个投射子系统组成?哪些脑区由同一群血清素神经元共同支配?投射结构是否对应特定的转录组和空间身份?不同投射系统是否承担不同的行为功能?

近日,美国 斯坦福大学 的 HHMI研究员 、 美国国家科学院 院士 骆利群 教授领导的课题组 在 Cell 上 发表了 Resource 论文 Architecture of the serotoninergic projectome in the mouse brain 。 本研究 系统解析了 数量极少但广泛支配全脑的血清素神经元 投射 系统组成,以及这些子系统如何分别塑造不同的行为表型。


已有研究已经发现,投射到不同脑区的部分血清素神经元具有不同功能,但这些研究只覆盖整个系统的一小部分。因此作者首先需要从全脑尺度回答:血清素神经元的投射到底有没有整体组织规律。 为了回答这个问题, 作者在35个不同脑区注射 AAVretro(retrogradely transducing adeno-associated virus,逆行转导腺相关病毒),逆行标记投射到这些脑区的血清素神经元,并分析这些神经元在全脑其他区域的轴突侧支。结果发现,投射到同一脑区的血清素神经元往往具有相似的全脑侧支模式,而不同靶区之间存在明显差异。随后利用 NMF(non-negative matrix factorization,非负矩阵分解) 对全脑投射数据进行无偏分析,最终将血清素系统划分为5个主要投射组:HPC(hippocampal,海马组) 、 BG(basal ganglia,基底神经节组) 、 CTX(cortical,皮层组) 、 MI(medial interbrain,内侧间脑组) 和 BSLT(brainstem and lateral thalamic,脑干-外侧丘脑组) 。需要注意的是 这些组并不是完全互斥,不同组之间仍有部分靶脑区重叠。进一步分析还发现,不同大组内部存在不同形式的精细组织。例如BG组内部可以继续分成相对离散的亚投射系统,而CTX组更接近连续变化的投射梯度。 这些结果证明 血清素系统不是一个统一、随机扩散的投射网络,而是具有明确层级结构的系统 , 全脑尺度上存在5个主要projectomic groups,而每个组内部还能进一步表现为离散亚群或连续梯度。

接下来,作者继续分析 这些不同投射组是否对应不同类型的血清素神经元? 在分析 不同投射组神经元在DR和MR中的位置 时 , 作者 发现五组神经元虽然存在部分重叠,但具有明显的空间偏好。例如HPC组更多位于MR,而BG和BSLT组更多集中在DR特定区域。 随后,通过 结合逆行投射标记和空间转录组, 结果发现一个重要现象是: 一个转录亚型并不对应一个 投射组 。同一个转录亚型可以投射到多个系统,而同一个投射系统也可以由多个转录亚型共同组成。但即使两个神经元属于相同转录亚型,如果它们位于DR或MR中的不同空间位置,也可能具有不同投射靶点。 这就意味着 预测projectomic identity (投射组身份) 时,单独使用转录组或空间位置效果有限,而将两者结合后准确率明显提高。 这个现象也 解释了为什么传统 观点 的一个分子亚型对应一个神经环路的模型不足以描述血清素系统。

文章的最后,作者对这些不同投射系统产生的血清素功能进行剖析。 作者在不同投射组中特异删除 Tph2 (tryptophan hydroxylase 2,色氨酸羟化酶2),从而降低相应投射神经元的血清素合成,并系统检测焦虑相关行为、奖励、进食、恐惧记忆和应激反应等多种行为。结果发现,每个 投射组 都不是只控制一种行为,而是产生不同的行为组合。其中BG组最为突出:降低BG投射中的血清素后,动物表现出埋珠减少、禁食后进食增加、恐惧消退加快以及强迫游泳中不动时间减少。相比之下,CTX、MI和BSLT组在焦虑相关行为、重复行为和蔗糖偏好等方面表现出一定程度的共同变化。 在这些行为变化中,作者 还发现部分行为存在明显性别差异,即同一血清素投射系统在雄性和雌性中的效应可能不同。为了避免只依赖单一行为指标,作者进一步使用线性判别分析将多个行为整合到一个多维空间中。不同 投射组 在这个行为空间中形成不同特征,而且当作者更换同一投射组中的另一个靶脑区进行操作时,仍然可以得到相似行为特征。 这表明 真正决定行为表型的是projectomic group,而不是某一个特定注射脑区。

总的来说, 本研究通过全脑投射追踪,将中缝核血清素神经元划分为5个主要的 projectomic groups,并发现这些投射身份并非由单一转录亚型决定,而是由神经元的转录特征和中缝核空间位置共同定义。进一步的投射 组血清素功能分析发现 ,不同投射组会产生不同的多维行为表型,说明血清素系统并不是统一发挥作用,而是由多个具有不同解剖组织和功能特征的子系统共同调控行为。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.022

制版人: 十一

参考文献

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2. Ren, J., Friedmann, D., Xiong, J., Liu, C.D., Ferguson, B.R., Weerakkody, T., DeLoach, K.E., Ran, C., Pun, A., Sun, Y., et al. (2018). Anatomically Defined and Functionally Distinct Dorsal Raphe Serotonin Sub-systems.Cell175, 472–487.e20.

3. Ren, J., Isakova, A., Friedmann, D., Zeng, J., Grutzner, S.M., Pun, A., Zhao, G.Q., Kolluru, S.S., Wang, R., Lin, R., et al. (2019). Single-cell transcriptomes and whole-brain projections of serotonin neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei.eLife8, e49424.

4. Huang, K.W., Ochandarena, N.E., Philson, A.C., Hyun, M., Birnbaum, J.E., Cicconet, M., and Sabatini, B.L. (2019). Molecular and anatomical organization of the dorsal raphe nucleus.eLife8, e46464.

5. Okaty, B.W., Sturrock, N., Escobedo Lozoya, Y., Chang, Y., Senft, R.A., Lyon, K.A., Alekseyenko, O.V., and Dymecki, S.M. (2020). A single-cell transcriptomic and anatomic atlas of mouse dorsal raphe Pet1 neurons.eLife9, e55523.

6. Okaty, B.W., Commons, K.G., and Dymecki, S.M. (2019). Embracing diversity in the 5-HT neuronal system.Nat. Rev. Neurosci.20, 397–424.

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