美國斯坦福大學的駱利群課題組于2020年12月17日在Cell上發(fā)表了題為“Differential encoding in prefrontal cortex projection neuron classes across cognitive tasks”的文章，在這項研究中，作者研究特定轉錄類型的小鼠PFC神經(jīng)元與軸突投射和編碼特性在多個認知任務中的關系，提出大多數(shù)神經(jīng)元類型靶向多個靶點投射，且大多數(shù)靶點接受多種類型神經(jīng)元的投射。通過使用滔博生物-Inscopix自由活動鈣成像顯微鏡發(fā)現(xiàn)在自由活動的小鼠中進行“二選一”任務測試時，這些神經(jīng)元中存在的任務相關信號的多樣性。
 
摘要
正文
     為了確定轉錄組類型并揭示PFC區(qū)域基因表達的潛在差異，研究人員分析了背內(nèi)側區(qū)（dmPFC）、腹內(nèi)側區(qū)（vmPFC）和眶額區(qū)（OFC）。首先，將Rbp4Cre與在Cre+細胞中表達tdTomato的小鼠雜交，雙轉基因后代從出生后第34天到第40天分離組織，并運用SMART-Seq2對tdTomato+細胞進行熒光激發(fā)細胞分類（FACS）和基于平板（plate-based）的scRNA-seq，共分析了來自三個區(qū)域的3139個細胞的。隨后，用基于雜交鏈式反應的熒光原位雜交（HCR-FISH）檢查了PFC轉錄組類型之間標記表達的空間位置和共標狀況，發(fā)現(xiàn)dmPFC和vmPFC的轉錄組的空間相似，區(qū)分OFC的主要區(qū)別在于Pld5和Cxcr7（5-2）簇細胞的富集（圖2）。
    為了研究vmPFC投射神經(jīng)元的轉錄組類型與特定靶點之間的關系，研究人員對小鼠注射逆行Cre表達病毒，通過解剖含有逆行標記tdTomato+細胞的vmPFC并運行scRNA-seq后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)投射定義的細胞群體由多種轉錄組組成，且每個轉錄組類型共同投射到多個區(qū)域（圖3）。例如，97%以上的vmPFC→PAG神經(jīng)元映射到Npr3簇，雖然將這些群體稱為“PAG投射”，但是，PAG并非特定靶點，即vmPFC→PAG神經(jīng)元會將側支延伸到多個皮質下靶點。緊接著，對PAG或cPFC投射的tdTomato+神經(jīng)元進行切片染色，對上述部分觀察結果進行驗證。結果顯示cPFC投射神經(jīng)元與標記物Cd44、Cxcr7和Figf而不與Npr3共同標記，比例與測序數(shù)據(jù)中基本一致，相反的，PAG投射神經(jīng)元與Npr3而非Figf高頻率共同標記。因此，這部分研究分別通過轉錄組和投射信號分析了不同的神經(jīng)元群體。
    接下來，研究人員對自由活動的小鼠實施“二選一（two-alternative forced choice, 2AFC）”任務，訓練小鼠在中心端口區(qū)分兩個氣味提示，當移至正確端口時獲取4μl水獎勵，移至錯誤端口則會導致短暫的吹氣處罰（圖4）。通過Inscopix頭戴式自由活動顯微鈣成像系統(tǒng)記錄分析單個細胞水平的神經(jīng)活動來探索不同的vmPFC細胞類型如何對決策制定的功能做出貢獻（圖5），并通過光遺傳刺激皮層抑制神經(jīng)元，使特定皮層區(qū)域沉默，測試vmPFC的神經(jīng)活動對任務表現(xiàn)是否重要。研究人員在所有皮層GABA能抑制神經(jīng)元中均表達ChR2的Gad2Cre；Ai32雙轉基因小鼠的vmPFC上方植入雙側光纖，結果顯示vmPFC對于2AFC任務的正確執(zhí)行是必需的。
    那么不同類型的vmPFC投射神經(jīng)元如何編碼任務相關信號呢？研究人員將上述試驗任務定義為“Approach-Decision-Lick-Reward”四個階段，通過在Cre依賴的GCaMP6f小鼠中使用自由活動顯微鈣成像記錄以量化不同任務階段所有成像細胞的比例（圖5）。結果顯示60%-80%的細胞都至少在一個階段活性增高（圖6），例如，在“Decision”階段，與cPFC投射神經(jīng)元相比，PAG投射神經(jīng)元和Rbp4Cre標記的類別活化的細胞比例更高；相反，在“Reward”階段，與Rbp4Cre相比，PAG和cPFC投射神經(jīng)元活化的細胞比例較低。值得注意的是，許多vmPFC細胞不僅對任務階段表現(xiàn)出活動選擇性，而且對左或右的方向也有選擇性，而對于方向選擇性PAG投射神經(jīng)元中包含大多數(shù)特定于選擇方向的信息。
    研究人員在原有試驗的基礎上進行改動，小鼠需要正確辨別出四種可能氣味來獲取獎勵，隨后會切換到無氣味提示任務，這也是本研究的關鍵特征，即對跨多個任務的行為編碼的探究。發(fā)現(xiàn)PAG投射神經(jīng)元主要表示編碼氣味提示任務中的選擇性，但在切換到無提示任務時小鼠會花費數(shù)十秒迅速適應，而cPFC投射神經(jīng)元則主要參與獎賞相關任務。這提示不同的細胞類型如何在不同的任務中發(fā)揮作用，并強調(diào)了在測試特定于細胞類型的編碼時具有多樣化的行為庫的重要性。

    總的來說，這項工作通過scRNA-seq數(shù)據(jù)驅動對認知任務中編碼特性的分析，彌合了分子和系統(tǒng)神經(jīng)科學間的重要鴻溝，進一步加深對PFC功能的理解，并推斷了任務信息如何在細胞類型框架中組織的原理。

參考文獻:
Jan H. Lui, Liqun Luo, et al. Differential encoding in prefrontal cortex projection neuron classese across cognitive tasks. Cell(2020)

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