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圣犹达儿童研究医院的科学家们追踪了神经元之间的连接，以确定大脑如何与脊髓沟通以控制运动功能。
从大脑传递到运动神经元的信号使肌肉运动，但这些信号通常在到达目的地之前经过脊髓中间神经元。大脑和这个高度多样化的“总机操作员”细胞群是如何联系在一起的，人们知之甚少。为了解决这个问题，圣裘德儿童研究医院的科学家们创建了一个全脑图谱，可视化大脑区域，这些区域向V1中间神经元（运动所必需的一组细胞）发送直接输入。由此产生的图谱和相应的三维互动网站提供了一个框架，以进一步了解神经系统的解剖景观以及大脑如何与脊髓沟通。研究结果发表在今天的《Neuron》杂志上。
“几十年来，我们已经知道运动系统是一个分布式网络，但最终的输出是通过脊髓，”圣犹达发育神经生物学部门的通讯作者Jay Bikoff博士说。“在那里，你有运动神经元引起肌肉收缩，但运动神经元并不是孤立地起作用。它们的活动是由分子和功能多样化的中间神经元网络塑造的。”
解开连接大脑和运动输出的网络
虽然在理解大脑的不同区域如何与运动控制的不同方面相关联方面已经取得了巨大的飞跃，但这些区域如何准确地与脊髓中的特定神经元相连接一直是该领域的盲点。中间神经元很难研究，主要是因为它们有数百种不同的、混杂的品种。
该研究的第一作者之一Anand Kulkarni博士说：“这就像解开一个圣诞彩灯球，只是更具挑战性，因为我们试图解开的是30多亿年进化的结果。”
最近的进展已经证明了分子和发育上不同的中间神经元亚类的存在，但它们在神经通讯中的位置仍然未知。“确定下行运动系统的细胞目标是理解运动和行为的神经控制的基础，”Bikoff说。“我们需要知道大脑是如何传达这些信号的。”
为了解剖连接大脑和脊髓的回路，研究人员使用了一种狂犬病病毒的转基因版本，这种病毒的表面缺失了一种关键蛋白质——糖蛋白。这抑制了病毒在神经元之间传播的能力。
这基本上把病毒困在了它的源头。通过将这种糖蛋白重新引入特定的中间神经元群，病毒可以在再次被卡住之前在突触之间进行一次跳跃。研究人员使用荧光标签来追踪病毒。通过追踪病毒在哪里结束，研究人员可以确定大脑的哪些区域与这些中间神经元相连。
3D地图使研究人员能够可视化连接
研究人员将这种方法应用于一类被称为V1中间神经元的中间神经元，它们在形成运动输出中起着至关重要的作用。这项工作使他们能够准确地追踪这些中间神经元接收到的多个信号的来源，并将其传回大脑。
Bikoff说：“我们只瞄准V1中间神经元，但这些神经元实际上是一组高度异质的神经元，所以我们想，‘让我们尽可能多地瞄准V1，看看它们投射了什么。’”
研究人员转向连续双光子断层扫描来可视化这些神经元，并生成三维参考图谱。这项技术绘制了数百微米厚的大脑切片，以显示荧光标记的神经元。该图谱使研究人员能够准确预测连接不同大脑结构与脊髓及其相互作用的中间神经元的网络。
确定这些结构如何与脊髓连接，使研究人员能够进一步研究控制运动的神经回路，同时附带的网络地图集将确保所有人都能免费获取这些数据。Bikoff解释说：“我们从行为的角度理解了一些被识别的大脑区域的作用，但我们现在可以对这些影响是如何被调节的以及V1中间神经元的作用做出假设。作为假设生成引擎，它将在该领域非常有用。”
A brain-wide map of descending inputs onto spinal V1 interneurons
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