3-1 形態(tài)學(xué)

早期高爾基染色根據(jù)細(xì)胞形態(tài)區(qū)分丘腦神經(jīng)元并分為三種類型：

1,、“Buschzell”的大型神經(jīng)元,，它有許多短小的放射狀樹突和大量的棘狀附屬物。

2,、“Strahlenzell”的大型神經(jīng)元呈星狀輻射,，樹突較少，較短,，樹突分支點(diǎn)附近有葡萄狀的特征附屬物,。

3、小中間神經(jīng)元有很少的長(zhǎng)而光滑的樹突和短軸突,。較大的興奮性神經(jīng)元投射到母核外的皮層,，缺乏局部連通性，而較小的中間神經(jīng)元只表現(xiàn)出局部連通性。

隨后的研究顯示,，丘腦神經(jīng)元之間存在進(jìn)一步形態(tài)學(xué)差異以及輸入-輸出模式,、生理和基因表達(dá)變化等。

3-2 生理學(xué)

基于以上發(fā)現(xiàn),，研究人員進(jìn)一步觀察丘腦核的電生理差異,。雖然丘腦主細(xì)胞被認(rèn)為在感覺核中具有相似的內(nèi)在特性，但它們的動(dòng)作電位參數(shù)存在實(shí)質(zhì)性的差異,。來自三個(gè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)丘腦核團(tuán)（中央內(nèi)側(cè)核團(tuán)（CM）,、腹前核團(tuán)（VA）和腹外側(cè)核團(tuán)（VL）)的全細(xì)胞記錄顯示，電生理膜和突觸特性沿CM到VA到VL核團(tuán)的梯度變化,。

盡管之前的研究揭示了丘腦神經(jīng)元的電生理異質(zhì)性,，但這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，丘腦核的單細(xì)胞生理特性沿著一個(gè)連續(xù)統(tǒng)存在,，而不是形成獨(dú)特的,、離散的輪廓（圖3b）。然而,，這一觀察結(jié)果的功能意義尚未揭示,。

該研究還將這些生理觀察結(jié)果與分級(jí)轉(zhuǎn)錄譜（圖3c）和形態(tài)學(xué)差異聯(lián)系起來，表明細(xì)胞形態(tài)學(xué),、末端樹枝化,、輸入類型和電生理特性是表征丘腦細(xì)胞多樣性的有效方法。關(guān)于丘腦主要神經(jīng)元的基本內(nèi)在特征,，它們的兩種不同的放電模式（強(qiáng)直和爆裂）-這些模式中的異質(zhì)性與軀體發(fā)育形態(tài)學(xué)差異存在關(guān)聯(lián),。

圖3：丘腦神經(jīng)元的多樣性

3-3 神經(jīng)遞質(zhì)和受體

神經(jīng)遞質(zhì)及其受體的定位差異提示基因表達(dá)譜的變化可能是丘腦核團(tuán)的一種組織原則。一組鑒定出四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基因,，它們?cè)谂d奮性丘腦核內(nèi)差異表達(dá),。一組不同的基因被鑒定為抑制性丘腦核,。因?yàn)檫@些候選基因可能反映了興奮核或抑制核之間共享的不同亞群,，許多研究小組試圖識(shí)別丘腦核和亞群特異性分子標(biāo)記。

基因表達(dá)的差異導(dǎo)致了丘腦核分類的核心-矩陣?yán)碚?/span>：?jiǎn)蝹€(gè)核中的神經(jīng)元核心以特定區(qū)域的方式投射到皮質(zhì)的中間層,，并有助于基本感覺,，而每個(gè)核中的神經(jīng)元矩陣投射到皮質(zhì)的淺層，覆蓋廣泛區(qū)域,，并參與感官體驗(yàn)不同方面的整合,。丘腦核的這種核心-基質(zhì)分類已被用于了解人類皮質(zhì)中功能連接的整體模式。

最近,，一個(gè)研究小組利用了艾倫大腦研究所的原位雜交數(shù)據(jù)庫(kù),，該數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋了大部分小鼠基因組，并鑒定了丘腦復(fù)合體不同部位表達(dá)的基因,。一組六個(gè)基因可以組合使用來定義大多數(shù)丘腦核,。從概念上講，這項(xiàng)研究表明,，丘腦核可分為九組（圖4）,，且不同于經(jīng)典的丘腦核組（圖1）。然而,，在沒有功能數(shù)據(jù)的情況下，目前尚不清楚擬議的丘腦核群是否比經(jīng)典的核群有所改善,。

雖然基因表達(dá)差異顯然有助于確定假定的亞群體,，但馮國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，將基因表達(dá)與形態(tài)學(xué),、連接性和生理學(xué)相結(jié)合的綜合方法是確定亞群體和子網(wǎng)絡(luò)的更好策略,。

圖4：六個(gè)基因可以組合使用來定義丘腦核團(tuán)

近來,，高通量scRNA-seq技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)?fù)雜組織中的數(shù)萬個(gè)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行RNA分析,。Drop-seq分析了大約89000個(gè)丘腦神經(jīng)元,，主要發(fā)現(xiàn)了兩種細(xì)胞類型：一種表達(dá)Rora（編碼維甲酸相關(guān)孤兒受體-α），另一種表達(dá)Gad2（編碼谷氨酸脫羧酶2）,。

根據(jù)艾倫研究所的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)中，Rora在大多數(shù)興奮性丘腦神經(jīng)元中表達(dá),，而Gad2表達(dá)在已知的含有抑制性神經(jīng)元的細(xì)胞核（TRN和LGN）中富集,。這些神經(jīng)元細(xì)胞類型可以進(jìn)一步細(xì)分為11個(gè)假定的亞群（圖5a），這與小鼠丘腦亞群的歷史觀點(diǎn)非常不同。

對(duì)于Rora和Gad2細(xì)胞類型,，基因表達(dá)譜確定了幾個(gè)明顯獨(dú)特的神經(jīng)元亞群。然而,，每種細(xì)胞類型中的大多數(shù)亞群被分組在一起（圖5a）,，表明某種程度的共享基因表達(dá),。

基于投影的scRNA-seq根據(jù)皮質(zhì)靶識(shí)別出不同的多核亞群，這些亞群顯示出跨核的基因表達(dá)梯度,，并表明不同丘腦核的邊界包含獨(dú)特的中間亞群,。

雖然這些中間亞群的功能含義尚不清楚，但可能反映了丘腦核團(tuán)及其亞群形成的發(fā)育過程,。從視覺,、軀體感覺和運(yùn)動(dòng)前腦區(qū)域逆行標(biāo)記丘腦核團(tuán)得到五個(gè)主要亞群(圖5B),，且這與經(jīng)典的丘腦核群(圖1)不同,。

這些scRNA-seq方法揭示了基因表達(dá)的梯度，表明這可能是丘腦核的一個(gè)子集的固有特征,，可以用來增強(qiáng)我們對(duì)這種結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞類型和亞群的理解,。

圖5：丘腦神經(jīng)元的單細(xì)胞異質(zhì)性

歷史主流觀點(diǎn)認(rèn)為每個(gè)核團(tuán)支持特定的功能,。然而，隨著丘腦聯(lián)合核團(tuán)執(zhí)行許多不同功能的證據(jù)逐漸明顯，馮國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,，丘腦每個(gè)核團(tuán)可能存在異質(zhì)性,，為不同的功能貢獻(xiàn)提供一個(gè)細(xì)胞水平的框架。

核團(tuán)內(nèi)異質(zhì)性的一個(gè)例子是PVT,。這個(gè)核團(tuán)參與許多不同的功能,。例如，PVT對(duì)恐懼記憶至關(guān)重要,，它調(diào)節(jié)阿片類藥物戒斷誘導(dǎo)的癥狀的表達(dá),，葡萄糖反應(yīng)中PVT神經(jīng)元控制尋找蔗糖的行為,，PVT回路由突顯處理和(或)清醒招募等,。

追蹤研究表明,，前部PVT(aPVT)和后部PVT(pPVT)具有不同的輸入-輸出連接性,。具體地說，aPVT和pPVT分別以下緣皮質(zhì)和前緣皮質(zhì)為靶點(diǎn),，它們又分別反過來支配aPVT和pPVT,。這表明這兩個(gè)PVT亞群形成了獨(dú)立的丘腦-皮質(zhì)丘腦環(huán)(圖6a，b)。

單細(xì)胞電生理記錄發(fā)現(xiàn)TRN中有兩個(gè)神經(jīng)元亞群：腹側(cè)TRN神經(jīng)元具有典型的爆發(fā)式放電，背側(cè)TRN神經(jīng)元缺乏爆發(fā)式放電,。基于連通性,、電生理學(xué)和對(duì)軀體感覺行為的貢獻(xiàn)，已經(jīng)確定了兩個(gè)抑制性TRN子網(wǎng)絡(luò),。

最近,，一項(xiàng)對(duì)小鼠TRN神經(jīng)元的scRNA-seq研究表明,，兩個(gè)負(fù)相關(guān)基因表達(dá)譜的轉(zhuǎn)錄梯度和TRN神經(jīng)元的電生理特性都存在梯度，揭示了基因表達(dá)與生理之間的聯(lián)系,。在這種梯度的兩端的神經(jīng)元表達(dá)相互排斥的標(biāo)記Spp1(編碼分泌的磷蛋白1)和Ecel1(編碼內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶樣1)(圖6c-e),。這兩個(gè)TRN亞群在調(diào)節(jié)睡眠方面顯示出不同的功能作用,。

研究表明,，集中在核心區(qū)的神經(jīng)元表現(xiàn)出高爆發(fā)放電,，可能與Spp1⁺亞群有關(guān)，而低爆發(fā)放電神經(jīng)元可能對(duì)應(yīng)于Ecel1⁺亞群,。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),，Calbindin(CB)和SST也標(biāo)記了不同的核型和殼型TRN亞群。這些研究表明,，TRN神經(jīng)元表現(xiàn)出基因表達(dá)的梯度,，因此在極端的神經(jīng)元產(chǎn)生不同的核和殼樣子網(wǎng)絡(luò)。

圖6：丘腦中的子網(wǎng)絡(luò)

TRN和PVT是兩個(gè)具有明顯子網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)丘腦核團(tuán)的例子,，也有相當(dāng)多的證據(jù)表明其他丘腦核團(tuán)內(nèi)存在異質(zhì)性,。因?yàn)檫@種異質(zhì)性是構(gòu)成子網(wǎng)絡(luò)的必要構(gòu)件，所以很可能其他單獨(dú)的丘腦核團(tuán)也由多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)組成,。

這篇綜述重點(diǎn)介紹了幾個(gè)興奮性核團(tuán)內(nèi)的細(xì)胞和功能多樣性,。以PF為例，PF最為人所知的是它通過投射到背側(cè)紋狀體參與運(yùn)動(dòng)功能,，包括行為靈活性,。一項(xiàng)追蹤研究表明，不同的PF種群分別投射到紋狀體和丘腦底核,，這是PF內(nèi)異質(zhì)性的最早跡象之一,。

最近的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，PF-丘腦下核的投射(而非PF-紋狀體的投射)有助于運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng),，這為兩個(gè)亞群在功能上的不同提供了證據(jù),，因此可能形成兩個(gè)不同的子網(wǎng)絡(luò)。

之前的多項(xiàng)研究在形態(tài)學(xué),、電生理特性,、分子、空間位置,、連接性和投射區(qū)域等不同方面表明PF包含離散的亞群,，從內(nèi)側(cè)PF到外側(cè)PF的生理特性沿著梯度變化，類似于基于投射的丘腦scRNA-seq研究中確定的生理梯度,。

它們的大腦皮層投射也不同,。在前扣帶回和島葉皮質(zhì)的下緣下部、腹側(cè)部可見內(nèi)側(cè)PF軸突,。中央PF投射到與內(nèi)側(cè)PF相同的區(qū)域,，但也投射到運(yùn)動(dòng)和味覺皮質(zhì)，而外側(cè)PF投射到軀體感覺和味覺皮質(zhì),。

由于這些投射模式實(shí)驗(yàn)沒有使用遺傳學(xué)方法來靶向TNC⁺中央PF或SPON1⁺外側(cè)PF亞群,，因此這篇綜述提出,，未來的工作必須弄清楚中央和外側(cè)PF的投射是否分別與TNC⁺和SPON1⁺PF神經(jīng)元的投射緊密匹配。 

此外,，它們的輸入也不同,，PFC軸突優(yōu)先定位于內(nèi)側(cè)PF，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)軸突定位于中央PF,，軀體感覺軸突定位于外側(cè)PF,。這些發(fā)現(xiàn)表明，前額葉是異質(zhì)性的,，包含亞群(包括一個(gè)新的“中央前額葉”亞群),，這些亞群被組織成平行和獨(dú)立的聯(lián)合、邊緣和軀體感覺回路(圖7),。

在運(yùn)動(dòng)行為中操縱這三個(gè)不同的PF亞群,，特別是中央PF神經(jīng)元，將有助于識(shí)別潛在的功能差異,，并且確定這些差異如何映射到內(nèi)側(cè)軸將是有趣的,。這種功能數(shù)據(jù)是將這三個(gè)不同的PF亞群鏈接到一個(gè)或多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)所必需的。目前,，尚不清楚這三個(gè)遺傳上可識(shí)別的PF亞群與先前基于形態(tài)學(xué)和/或電生理學(xué)對(duì)PF細(xì)胞多樣性的描述的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

圖7：從scRNa-seq到三個(gè)不同的PF亞群