近日，beat365IDG麥戈文腦科學研究所、beat365、北大-清華生命科學聯合中心王征實驗室與複旦大學附屬華山醫院麻醉科王英偉主任團隊、河南省人民醫院王梅雲副院長團隊鼎力合作，在Advanced Science在線發表題為“State-specific regulation of electrical stimulation in the intralaminar thalamus of macaque monkeys: network and transcriptional insights into arousal”的學術論文。該研究融合神經影像、神經調控、RNA測序技術，同時從基因表達、信号通路、功能網絡多個尺度揭示了深部電刺激丘腦闆内核（intralaminar nuclei of thalamus, ILN）誘發麻醉猕猴快速覺醒的腦網絡及人類物種保守的分子、細胞機制。
磁共振成像作為支撐平台技術，與電生理、光遺傳、基因測序等多種技術快速發展結合（Finn et al., Nature, 2023），為探索大腦功能與行為表型的神經環路及生物學機制開辟了新道路。王征實驗室長期聚焦神經影像和神經調控技術在腦科學與腦疾病中的應用，特别專注猕猴磁共振成像（Biol Psychiatry, 2016; Am J Psychiatry, 2021; Cell Discovery, 2021; eLife, 2022），近年來融合轉錄組學（Nat Commun, 2023; Cell Reports, 2023）、神經調控（Mol Psychiatry, 2022）等多個交叉方向取得了系列研究成果。丘腦與大腦皮層間的長程通訊，尤其是與丘腦闆内核ILN相關的通訊被認為與覺醒（arousal）、意識緊密相關，例如Schiff等人通過電刺激ILN成功喚醒一位昏迷6年之久的植物人（Schiff et al., Nature, 2007）。然而，整合神經調控與神經影像技術來鑒定丘腦闆内核與大腦皮層各個區域之間的連接網絡十分挑戰，而且對其背後的分子細胞機制迄今知之甚少。研究團隊首先在猕猴模型上搭建了磁共振成像同步的深部腦刺激 (DBS)系統，且同時實現了3T磁場兼容的多導腦電記錄标識丙泊酚麻醉深度的技術，在此基礎之上研究電刺激ILN是否能喚醒處于不同麻醉深度的猕猴，以及對應的腦功能連接網絡模式。随後基于團隊前期構建的猕猴全腦轉錄組圖譜（Nat Commun, 2023）, 系統分析了ILN驅動覺醒網絡的區域特異性、皮層分層特異及細胞特異性的基因表達譜，并結合美國艾倫腦研究所發布的人類大腦轉錄組圖譜（Hawrylycz et al., Nature, 2012），評估覺醒在靈長類物種間的進化保守性，圖1展示了整個課題設計邏輯思路和實驗流程。
圖1. 以腦功能影像網絡為基礎的轉錄組學跨物種比較實驗方案
研究團隊發現在猕猴丘腦闆内核植入微電極後，應用200微安，200赫茲的電流刺激能夠将猕猴從處于丙泊酚誘導的慢波振蕩（slow-wave oscillations）狀态中喚醒（表現為眼睛睜開、嘴巴蠕動以及明顯的心跳加快，圖2），但實施同樣幅值頻率的電刺激不能喚醒處于丙泊酚誘導等電位線（isoelectric lines）狀态的猕猴。深入分析同步記錄的功能磁共振成像信号，發現電刺激ILN誘發了額-頂-颞-枕葉以及殼核等多個區域的功能磁共振信号響應。這些腦區主要參與多模态感覺信息處理、感覺運動信息整合，由此形成了ILN驅動的覺醒網絡。
圖2. 電刺激ILN可促使處于丙泊酚誘導慢波振蕩狀态下的猕猴快速覺醒
面對ILN刺激選擇性激活的、分布在全腦不同區域形成的網絡，研究人員非常好奇：為什麼唯獨是這些腦區産生響應？他們之間的通路有什麼特異性的生物學機制嗎？于是，研究團隊創新性地提出功能網絡偏好（network-biased）的轉錄組學分析，探究這個ILN驅動的覺醒網絡與大腦其它地方的基因表達到底有什麼不同。根據猕猴全腦轉錄組圖譜中每個RNA采樣的空間坐标位置，将覆蓋全腦110個腦區的878個樣本劃分是否屬于覺醒網絡，并保留了15275個基因開展差異表達分析。結果如圖3所示，發現其中2489個基因偏好表達于此覺醒網絡（其中1290個基因上調，1199個下調）。針對這些差異基因，ClueGO分析揭示了三個與離子通道相關的集群--"離子轉運"、"底物特異性通道活動 "和 "通道活動"，凸顯了離子通道在覺醒網絡中的關鍵作用。接下來，分别對上調基因和下調基因進行了GO富集分析，發現上調基因高度富集了離子通道相關術語，包括表示生物過程的"離子轉運"、"離子跨膜轉運"；細胞成分的"離子通道複合物"、 "鉀通道複合物"、"電壓門鉀通道複合物"；分子功能的"離子通道活性"、"陽離子通道活性"、"鉀離子跨膜轉運體活性"、"鉀通道活性"等。蛋白-蛋白相互作用分析進一步确認了這些差異基因主要集中在電壓門控鉀離子通道上。此外，研究團隊利用猴腦單細胞和皮層分層RNA測序數據，檢驗這些差異表達基因是否特異性地富集在某些細胞類型或者特定的皮層位置，結果發現顯著富集在興奮性神經元、表達小清蛋白的抑制性神經元和少突膠質細胞中。
圖3. ILN驅動的覺醒網絡偏好的差異基因表達及富集結果
覺醒被認為是哺乳類物種間高度進化保守的功能之一。因此，研究團隊将在猕猴上鑒别的覺醒網絡映射到人類大腦上，同時結合Allen人腦轉錄組圖譜數據進行跨物種比較。結果（圖4）發現在猕猴和人類大腦覺醒網絡中同時存在242個上調同源基因（占比30.87%）和110個下調同源基因（占比30.90%），且表達水平（log2FoldChange）顯著相關（p<2.2×10-16）。這些同源基因在人腦中也是高度富集在鉀離子通道，興奮性神經元、表達小清蛋白的抑制性中間神經元上。這些結果顯示了覺醒網絡在靈長類間高度進化保守的分子和細胞架構，更是創新性地發展了高通量方法篩選基因、分子、細胞組成等信息解析覺醒網絡特征。
值得強調的是，本項研究整合了神經影像和神經調控技術鑒别與覺醒相關的功能網絡，同時融入了多尺度轉錄組學分析，深入挖掘了神經網絡底層的基因表達和細胞構築特征，發現了鉀離子通道在 ILN 驅動覺醒網絡中的興奮性細胞和 PVALB+ 細胞中的關鍵作用。除了應用于麻醉場景，這項研究還為探索細胞和分子機制如何支撐人類大腦各種高級功能（如注意力、記憶、決策等）開辟了全新的研究思路。
複旦大學附屬華山醫院麻醉科張钊博士和北大-清華生命科學聯合中心博士生(一年級)黃翊淳為該文共同第一作者，上海交通大學自然科學研究院陳潇宇博士，首都醫科大學天壇醫院神經外科楊藝主任醫師，中國科學院昆明動物所呂龍寶正高級工程師、王建紅副研究員等共同參與完成此項目，王征研究員與複旦大學附屬華山醫院麻醉科王英偉教授、河南省人民醫院醫學影像科王梅雲主任共同為本文的通訊作者。本課題得到了科技部科技創新2030-“腦科學與類腦研究”，國家自然科學基金委，廣東省及北大-清華生命科學聯合中心的資助。
圖4. ILN驅動覺醒網絡的基因表達和細胞富集特征跨物種比較
原文鍊接：https://doi.org/10.1002/advs.202402718
2024-06-28