神经退行性疾病中胆碱能和多巴胺能神经元的单细胞形态精细研究

Increasing prevalence rate of neurodegenerative diseases calls for systematic studies of the underlying etiology. Although neuronal death contributes to the devastating cognitive, motor, and mood impairments, it remains unclear whether neurodegeneration starts at the neuron somata or axons. Previous studies mainly focused pathological changes at the somata, but some hints indicate that the changes of axons occur earlier during the process of neurodegeneration, leading to the dying-back hypothesis. Studying the relationship between changes at axons and somata requires precise dissection of neuronal morphology at the single-cell level. Here, we propose to address this challenging question by developing and applying the state-of-art techniques for reconstructing the morphology of single cells at the whole-brain level. First, we will develop a novel virus system to sparsely label individual neurons. Second, we will improve the high-resolution imaging system and automatic reconstruction technique to map the complete morphology of individual neurons. Third, we plan to use the newly developed techniques to map the morphology of cholinergic neurons in the basal forebrain and dopaminergic neurons in the midbrain at single-cell level under normal physiological condition. Finally, we will examine the morphological changes of these two types of neurons during the process of neurodegeneration in Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease mouse model. These efforts will help elucidate the etiology of two major neurodegenerative disorders. Moreover, our new technologies will transfer the study of neural circuit into the level of single-cell resolution and will have a broad impact in neuroscience.

随着人类寿命不断延长,神经退行性疾病在人群中的发病率逐年上升。神经退行性疾病主要特征是神经元的死亡，病变造成患者记忆丢失、学习能力衰退、认知能力下降。对于神经元死亡的病理观察和生物学机制研究已有一定的基础，但具体的生物学过程仍不清楚。过去的研究主要关注神经元胞体处发生的变化，及其进一步导致细胞死亡的机制。但由于技术手段的限制，对于轴突在神经退行性疾病发病过程中的病变，特别是轴突处病变和胞体处病变的相互关系仍缺乏深入研究。本项目拟开发一套新颖特异性神经元标记方法用以标记单个神经元的完整形态，同时开发获取神经元完整形态的高分辨成像方法和系统。利用新型标记和成像系统，本项目旨在从单细胞水平重构正常生理条件下基底前脑胆碱能神经元和中脑多巴胺神经元的完整形态。以此为基础，结合神经退行性疾病模型小鼠，研究神经退行性疾病不同阶段这两类神经元的单细胞形态变化和病变发展过程，并解析相伴随的认知功能缺陷。

随着人类寿命不断延长，神经退行性疾病在人群中的发病率逐年上升。神经退行性疾病主要特征是神经元的死亡，病变造成患者记忆丢失、学习能力衰退、认知能力下降。对于神经元死亡的病理观察和生物学机制研究已有一定的基础，但具体的生物学过程仍不清楚。过去的研究主要关注神经元胞体处发生的变化，及其进一步导致细胞死亡的机制。但由于技术手段的限制，对于轴突在神经退行性疾病发病过程中的病变，特别是轴突处病变和胞体处病变的相互关系仍缺乏深入研究。在本项目攻关的过程中，课题组开发了基于AAV的稀疏标记技术，并在稀疏标记功能之上摸索完善了稀疏调控、增强亮度的方法，增加了分子特异性标记、投射特异性标记等新功能；依托于高分辨全脑光学成像系统，课题组建立了快速成像平台，服务于标记条件的筛选；在此基础上，课题组对样本制备方法进行了筛选与改良，在样品完整性、荧光强度保持率、切片质量等方面实现了优化。基于新开发的稀疏标记系统与高分辨全脑光学成像系统，研制了全新的数据处理管线，实现了海量TB级数据的快速读取与调用；利用这一管线，对基底前脑胆碱能神经元及多巴胺能神经元的单细胞全脑形态进行了完整重构，获取了高质量的形态投射信息。课题组利用病理模型，模拟了神经退行性疾病中中脑多巴胺能神经元及基底前脑胆碱能神经元的病变过程，结合稀疏标记-全脑成像-形态重构管线，对病理状态下神经元轴突部位的形态进行了刻画；通过数据配准算法，在标准脑模型中对正常生理状态及病理状态下的神经元形态进行了对比，为理解神经退行性疾病的发病原因及病程提供了重要信息。