髓纹神经支配遵循缰核的转录组分裂

科学报告|(2022) 12:10118| https://doi.org/10.1038/s41598-022-14328-11 打开髓纹神经支配遵循缰核的转录组分裂Iris Juárez‑Leal、Estefanía Carretero‑Rodríguez、Francisca Almagro‑García、Salvador Martínez、Diego Echevarría 和 Eduardo Puelles缰核是一个复杂的神经元群体，整合在脊椎动物边缘系统的关键功能位置。其主要受累为延髓纹，主要受累于后屈肌束。这种神经元复合体由两个主要成分组成，即内侧缰核和外侧缰核。转录组学和单细胞 RNAseq 研究揭示了这两种成分的形态复杂性。我们工作的目的是分析轴突纤维的起源与它们在缰核中的最终分布之间的关系。我们分析了来自 Mouse Brain Connectivity Atlas、Allen Brain Map 数据库的 754 个追踪实验，并选择了 12 个投射到缰核区域的神经元群体。我们的分析表明，向内侧缰核的投射区分不同的亚核，并且通常起源于隔膜区域。相反，外侧缰核的神经支配显示出来自视前核、末端下丘脑和脚核的较少限制分布。只有外侧缰核的外侧椭圆形亚核呈现出来自背侧内托核的特定神经支配。我们的研究结果揭示了新型行为实验的必要性，以剖析与缰核复合体相关的不同功能及其与产生它们的不同神经元群体的相关性。缰核 (Hb)，一个重要的大脑区域，将边缘前脑与中脑和延后脑连接起来1, 分为外侧缰核 (LHb) 和内侧缰核 (MHb) (Andres et al.5）。它位于前体 2（Puelles 和 Rubenstein）翼板的最背侧12) 并通过延髓纹 (sm) 接收来自前脑的投射，并通过后屈束 (fr; Sutherland) 投射到基底中脑和头端菱脑2).它经典地分为 LHb 的内侧和外侧部分以及 MHb 的头端和尾端部分（Herkenham 和 Nauta3;图 1A)。通过对大鼠脑中缰核复合体的细胞结构分析，LHb 后来分为 9 个亚核，MHb 分为 5 个亚核（Andres et al.5;图 1B)。神经递质分布证实了这种细分6.根据地形学、细胞化学、形态学和免疫细胞化学标准，大鼠中描述的缰核细分也出现在小鼠脑中7.详细的转录组学特征证实了先前在小鼠 Hb 中描述的亚核 (Wagner et al.8;图 1C)。因此，LHb 被描述为显示包括中央 (LHbMC)、边缘 (LHbMMg)、细小细胞 (LHbMPc) 和上 (LHbMS) 亚核的内侧分裂和包括：外侧 (LHbL)、基底 (LHbLB)、大细胞 (LHbLMc)、边缘 (LHbLMg)、椭圆 (LHbLO) 和小细胞 (LHbLPc) 亚核。 MHb 分为背侧 (MHbD)、上侧 (MHbS)、腹侧内侧 (MHbVm)、腹侧中央 (MHbVc) 和腹侧 (MHbVl) 部分。近年来，单细胞 RNAseq 技术的发展使得对解离缰核神经元表达谱的研究成为可能9.这些分析导致通过 12 个神经元簇的转录组谱进行鉴定，这些簇在很大程度上与缰核形态和转录组细分一致。其中一些属于特定的亚核，而另一些则属于特定亚核内的细分。这一结果揭示了 Hb 复合体的神经元亚群所表现出的高度复杂性9. sm 是 Hb 复合物的主要传入通道。这个高度束状的束包含来自位于次级前脑（下丘脑和端脑小泡；Herkenham 和 Nauta）的不同神经元群的纤维。3;普列斯和鲁宾斯坦11）。束状的 sm 穿过前丘脑前体的最背侧，称为前丘脑隆起，携带来自其多个轴突起源，尾端进入丘脑前体到达 Hb 复合体。Instituto de Neurociencias, Universidad Miguel Hernández de Elche-CSIC, 03550 Sant Joan d'Alacant, Alicante, Spain。电子邮件：e puelles@umh.es 科学报告|(2022) 12:10118 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14328-12图1。Habenular 细分方案。 (一个) Herkenham 和 Nauta 在 1977 年和 1979 年描述了缰核复合体在两个主要成分 mHb 和 lHb 中的细分。 (乙) Andres 和合作者在 1999 年将 mHb 按细胞结构划分为 5 个域，MHbS 和 MHbCo 对应于背侧 mHb，MHbI、MHbC 和 MHbL 对应于腹侧 mHb。 LHb 也细分为 9 个成分，包括背侧的 LHbMS、LHbLPc、LHbLMg，内侧层的 LHbMPc、LHbMC、LHbLMc 和 LHbLO 以及腹侧的 LHbMMg 和 MHbLB。 (C) Wagner 和合作者在 2014 年完成了这个组织，将 mHB 的三个腹侧组件重命名为 MHbVm，MHbVv 和 MHbVl，并在 LHb 的腹侧添加最后一个细分，即 LHbLB 结构域。缩写：LHb，侧缰； LHbLB：LHbL 基底亚核； LHbLMc：LHbL 大细胞亚核； LHbLO：LHbL 椭圆形亚核； LHbLPc：LHbL 细小细胞亚核； LHbMC：LHbM 中央亚核； LHbMPc：LHbM 细小细胞亚核； LHbMS：LHbM 上亚核； MHb：内侧缰核； MHbC：MHb中央亚核； MHbD：MHb 背侧亚核； MHbI：Mhb下亚核； MHbL：MHb外侧亚核； MHbS：MHb上亚核； MHbVc：MHb腹侧中央亚核； MHbVl：MHb腹侧外侧亚核； MHbVm; MHb 腹侧内侧亚核。已经描述了 sm 纤维起源于下丘脑、苍白球和隔膜区域。据报道，MHb 接收来自三角间隔核 (TRS)、间隔边缘核 (SF)、间隔区、前连合床核 (BAC) 和下丘脑内脚神经元的输入3.如前所述，LHb 受内蒂核（错误地识别为基底神经节和伏隔核）、视前区和隔膜支配3.这一描述后来得到证实并完成，得出的结论是 LHb 接收来自无名物质的输入（SI；Golden 等人。18;诺兰等人。19), 背内髓核 (EPD)17和下丘脑外侧区 (LHA)23.必须强调的是，最近有报道称，几乎所有投射到小鸡 Hb 的神经元群都被来自丘脑前隆起的切向迁移的谷氨酸能神经元所定植。26.存在三个异时迁移流，丘脑前隆起分布在下丘脑、视前、苍白球和间隔区16. LHb 或 MHb 亚核中不同传入神经元群体产生的特定神经支配模式研究很少。之前仅描述了 EPD 对 LHbLO 的特定神经支配17.因此，选择性的神经支配来源可能是与 Hb 成分相关的不同功能的基础。一般而言，MHb 与镇痛、自主、奖赏、焦虑和恐惧反应的介导有关29.更具体地说，MHb 的背侧与运动动机、享乐状态的调节、内在强化回路和厌恶行为有关31. MHb 的腹侧与药物成瘾、焦虑和抑郁有关15.因此，脊椎动物的 MHb 与情绪行为有关30.相比之下，LHb 被认为是一种反奖励系统，似乎与行为和动机控制有关。事实上，LHb 参与调节厌恶、压力、睡眠、情绪和母性行为23.在行为实验中获得的结果指出了 LHb 与习得性无助反应以及奖励、厌恶或惩罚行为的关系36和抑郁症41.我们目前的目标是分析多个缰核亚核可能的不同神经支配，考虑到它们的传入纤维的不同起源。观察到的分布面临着亚核与缰核相关的边缘系统功能的组织和位置。结果首先，我们选择了几种基因表达模式，灵感来自已发表的单细胞 RNAseq 实验9作为 Hb 亚核组织标志物的例子 (Quina et al.46）。从头端到尾端的图像由 Adobe 软件进行颜色编码和重叠。在 MHb 中，Asic4 很好地标记了 MHbS 和 MHbD 亚核，而 Spon1 在 MHbV1 亚核中表达，而 Myo16 在剩余的 MHb 腹侧成分中表达（中央和内侧；图 2A，A'，A''）。 Cubn 和 Wif1 表达式使我们能够辨别两个背侧 MHb 成分。在 MHbS 中表达 Cubn，在 MHbD 中表达 Wif1（图 2B，B'，B''）。 Kcnmb4 主要在 MHbVl 和 MHbVc 中表达，使我们能够区分阳性 MHbVc 和阴性 MHbVm（图 2B，B'，B''），这两个群体都对 Myo16 呈阳性。 Kcnmb4 也表达于 科学报告|(2022) 12:10118 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14328-13图 2。缰核的转录组细分。 (一个, 一个’, 一个'') 成年小鼠大脑的冠状切片，从头端到尾端，显示出 MHb 中 Asic4、Spon1 和 Myo16 基因表达的荧光重叠。 Asic4 特异于 MHbS 和 MHbD 亚核，而 Spon1 在 MHbV1 中表达。 Myo16 在 MHBVc 和 MHbVm 中表达（乙, 乙’, 乙'') 成年小鼠大脑的冠状切片，从头端到尾端，显示 Cubn、Kcnmp4 和 Wif1 基因表达的荧光重叠。 Cubn在MHbS中表达，而Wif1在表达在 MHbD 中。 Kcnmb4 主要在 MHbVl 和 MHbVc 以及 LHbMs 中表达。 (C,C' 和C'') 成年小鼠大脑的冠状切片，从头端到尾端，显示 Chrm2、Pvalb 和 Tacr1 基因的荧光重叠。 Chrm2 在中央 LHb 中显示出分散的模式，包括 LHbLPc、LHbLMc 和 LHbLB 亚核。 Pvalb 在 LHbLO 和 LHbMPc 和 LHbMC 中表达。 Tacr1 被表达在腹侧 MHb 的三个腹侧成分中。缩写：LHb，侧缰； LHbLB：LHbL 基底亚核； LHbLMc：LHbL 大细胞亚核； LHbLO：LHbL 椭圆形亚核； LHbLPc：LHbL 细小细胞亚核； LHbMC：LHbM 中央亚核； LHbMPc：LHbM 细小细胞亚核； LHbMS：LHbM 上亚核； MHb：内侧缰核； MHbD：MHb 背侧亚核； MHbS：MHb上亚核； MHbVc：MHb腹侧中央亚核； MHbVl：MHb腹侧外侧亚核； MHbVm; MHb 腹侧内侧亚核。比例尺：200 μm。图片来源：艾伦脑科学研究所。 [https://mouse.brain-map.org/]。LHbMS（图 2B，B'，B''）。 MHb 的三个腹侧成分共享 Tacr1 的表达（图 2C，C'，C''）。最后，在 LHb 中，Chrm2 在内侧区域表达，包括 LHbLPc、LHbLMc 和 LHbLB（图 2C、C'、C''）。而 Pvalb 在 LHbLO 和 LHbMPc 和 LHbMC 中表达（图 2C、C'、C''）。一旦我们在三个选定的切片级别确定了 Hb 的所有不同亚核，我们就开始分析连通性实验。 科学报告|(2022) 12:10118 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14328-14针对内侧缰核的神经元群体。我们确认了四个针对 MHb 的神经元群体。它们主要属于中隔区，有三角中隔核（TS）、中隔核（MS）、隔缘核（SF）和终纹床核、中中分裂（BST）。 TS（图 3A）投射到 MHbVm、LHbMS 和 MHbD。 GFP 轴突末端沿缰核复合体的前后轴延伸（图 3B-B''）。 MS 和中间视前核 (MnPO) 的接近度不允许我们找到仅限于 MS 的实验（图 3C）。在第一次分析中，MS/MnPO 末端到达 MHbVc，部分到达 MHbVm 和 MHbD（图 3D-D''）。 SF 中的注射也影响了 MnPO（图 3E）。 MS 和 SF 实验之间的末端标记重叠使我们能够将 MnPO 投影区域归因于 LHbMMg（图 3D' 和 F'）。因此，SF 核将投射到 MHbVl 和 MHbD（图 3F-F''）。由于阳性纤维穿