5月30日，Science Advances期刊在线发表题为Whole-Brain Mapping of Basal Forebrain Cholinergic Neurons Reveals a Long-Range Reciprocal Input-Output Loop between Distinct Subtypes的研究论文，该研究由上海交通大学医学院张思宇研究组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究组合作共同完成。研究聚焦于基底前脑的乙酰胆碱能神经元（BFCN），综合运用病毒示踪、脑片电生理、自主研发高通量解剖学数据分析软件等多项技术，发现支配前扣带回皮层(ACA)与支配基底外侧杏仁核(BLA)的基底前脑乙酰胆碱能神经元(BFCN→ACA和BFCN→BLA)是两个具有不同电生理特性的互不重叠的亚型。全脑输出3D解剖学连接图谱的结果显示这两类BFCN亚型具有互不重叠的输出网络，BFCN→ACA神经元轴突分布于多个皮层区域，而BFCN→BLA神经元的轴突则主要分布于皮层下结构。通过RV介导的逆向跨单突触示踪以及三重RNAScope原位杂交技术，研究人员绘制了这两类BFCN亚型具有输入神经元类型特异性的全脑输入3D解剖学连接图谱，发现这两类BFCN亚型具有不同的兴奋性输入源，却共享抑制性输入源。BFCN→ACA神经元整合来自下丘脑和中脑的情绪和状态相关兴奋性输入去调控皮层活动，并从皮层区域获得反馈。BFCN→BLA神经元则被来自皮层和丘脑的兴奋性输入激活，将认知相关信息传递到杏仁核，同时也从杏仁核获得反馈。通过对两群乙酰胆碱能神经元的输入输出网络的交互协同作用进行分析，最终揭示了子网络间一个长程的相互作用输入-输出环路：BFCN→ACA神经元调控二者共同的兴奋性输入──皮层；而BFCN→BLA神经元则调控二者共同的抑制性输入──纹状体和苍白球。

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BFCNs通在不同脑区，如ACA和BLA，释放乙酰胆碱来调控视觉注意和恐惧反应[1]。注意与恐惧的交互作用对动物生存至关重要，恐惧使注意偏向威胁性刺激，而注意则能主动调节恐惧反应，但乙酰胆碱能系统如何协同调控注意和恐惧以使动物抉择适应当前环境的机制仍然未知。BFCNs在解剖学和功能学上的复杂性是解决该问题的主要挑战。

为了探究BFCN→ACA和BFCN→BLA是否是同一群神经元，研究者首先在ChAT-Cre小鼠的ACA和BLA注射Cre依赖的表达不同颜色荧光病毒的逆向标记病毒，通过实验室自主研发的高通量解剖学数据分析软件进行分析，结果表明两群BFCNs的共标率几乎为零。进一步通过脑片电生理记录两群BFCNs的电生理学特性，发现二者具有不同的放电特性，证实BFCN→ACA和BFCN→BLA是互不重叠且具有不同放电模式的亚群（图1）。

为了探究BFCN→ACA神经元的全脑轴突分布，研究者联合病毒示踪和酪酰胺信号放大技术，构建了BFCN→ACA和BFCN→BLA神经元亚群的全脑输出3D解剖学连接图谱，结果显示BFCN→ACA神经元主要支配皮层区域，BFCN→BLA神经元主要支配皮层下脑区（图2）。

前人的研究已经绘制了BFCNs的全脑输入图谱[2, 3]，但这些输入神经元的性质（即兴奋性还是抑制性）仍不明确。在这部分实验中，研究者使用RV介导的逆向跨单突触示踪技术和三重RNAscope原位杂交技术，在对上游示踪的同时明确它们的性质。实验结果表明BFCN→ACA神经元的兴奋性输入主要来自皮层、中脑、下丘脑，抑制性输入主要来自纹状体、下丘脑、苍白球；而BFCN→BLA神经元的兴奋性输入来自皮层、丘脑、皮层下板，抑制性输入来自纹状体、苍白球、下丘脑（图3）。

为了研究BFCN→ACA神经元和BFCN→BLA神经元的兴奋性输入网络、抑制性输入网络和输出网络之间的关系，研究者计算这些网络在11个主要脑区中分布占比的相关系数，结果表明BFCN→ACA神经元的输出网络选择性地与兴奋性输入网络相互作用，与之相反，BFCN→BLA神经元的输出网络选择性地与抑制性输入网络相互作用。该研究还揭示了这两个BFCN亚型的输入-输出子网络之间相互作用的一个长程环路：BFCN→ACA神经元支配二者共同的兴奋性输入源──皮层；而BFCN→BLA神经元则支配二者共同的抑制性输入源──纹状体和苍白球（图4）。此工作加深了对乙酰胆碱能神经元网络调控注意和恐惧的理解，并为胆碱能神经元子网络间相互作用提供了新的见解。

该研究在上海交通大学医学院张思宇研究员与中科院脑智卓越中心徐敏研究员的指导下，由博士生陈兆南以及博士后刘燕梅（现为上海交通大学医学院松江脑研究院副研究员）为共同第一作者完成。该工作获得科技部科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委员会和上海市科学技术委员会的资助。