清華新聞網(wǎng)12月17日電 哺乳動(dòng)物大腦皮層由高度異質(zhì)性的細(xì)胞譜系構(gòu)成，包括神經(jīng)元以及非神經(jīng)元細(xì)胞。在哺乳動(dòng)物大腦發(fā)育過(guò)程中，神經(jīng)元與免疫細(xì)胞通過(guò)不同細(xì)胞運(yùn)動(dòng)模式響應(yīng)環(huán)境變化，并與周?chē)?xì)胞發(fā)生互作。神經(jīng)元的精準(zhǔn)遷移、免疫細(xì)胞的環(huán)境監(jiān)督以及神經(jīng)-血管-免疫細(xì)胞間的動(dòng)態(tài)互作，對(duì)于大腦皮層發(fā)育與穩(wěn)態(tài)維持至關(guān)重要。
然而，傳統(tǒng)基于急性腦切片成像的研究會(huì)破壞大腦完整性、腦內(nèi)血管網(wǎng)絡(luò)以及免疫細(xì)胞的生理靜息狀態(tài)，加之現(xiàn)有胚胎活體成像技術(shù)在觀(guān)測(cè)穩(wěn)定性、視角多樣性和操作便捷性等方面的局限，使得在體觀(guān)測(cè)胚胎小鼠大腦中神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)態(tài)行為面臨重大挑戰(zhàn)。
12月16日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室米達(dá)副教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心郭增才副教授團(tuán)隊(duì)合作，在《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表了題為“哺乳動(dòng)物發(fā)育大腦中神經(jīng)元與免疫細(xì)胞動(dòng)態(tài)的活體觀(guān)察”（Intravital observation of neuronal and immune cell dynamics in the developing mammalian brain）的研究論文。
研究開(kāi)發(fā)了一種高穩(wěn)定性、多視角、長(zhǎng)時(shí)程的胚胎小鼠宮內(nèi)活體成像技術(shù)（IMEE），首次在體闡明了胚胎小鼠大腦皮層內(nèi)抑制性神經(jīng)元與血管網(wǎng)絡(luò)及小膠質(zhì)細(xì)胞間的動(dòng)態(tài)互作模式。研究還為神經(jīng)發(fā)育性疾病模型小鼠中神經(jīng)元遷移異常提供了全新在體證據(jù)，同時(shí)解析了胚胎免疫細(xì)胞在響應(yīng)環(huán)境壓力時(shí)的動(dòng)態(tài)行為模式。該工作突破了傳統(tǒng)胚胎神經(jīng)成像的技術(shù)瓶頸，為解析大腦發(fā)育過(guò)程中的神經(jīng)-血管-免疫系統(tǒng)互作機(jī)制與協(xié)同發(fā)育機(jī)制開(kāi)辟了全新的研究范式，凸顯了胚胎活體成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)與腦疾病研究中的重要價(jià)值。
研究開(kāi)發(fā)的IMEE活體成像技術(shù)，通過(guò)輔助支持裝置固定胚胎小鼠并結(jié)合雙光子顯微成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)E10.5至E16.5胚胎小鼠的長(zhǎng)時(shí)程、大視野、高深度活體觀(guān)測(cè)。研究人員通過(guò)監(jiān)測(cè)胚胎腦內(nèi)血流，檢查胚胎形態(tài)，評(píng)估胚胎腦組織細(xì)胞活性、組成及細(xì)胞功能等多方面指標(biāo)，證實(shí)了IMEE成像過(guò)程中胚胎小鼠發(fā)育狀態(tài)正常。
圖1.IMEE活體觀(guān)察不同發(fā)育時(shí)期的胚胎小鼠
利用不同品系的轉(zhuǎn)基因小鼠內(nèi)源熒光標(biāo)記或小鼠胚胎電轉(zhuǎn)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)標(biāo)記了胚胎小鼠大腦皮層內(nèi)的興奮性或抑制性神經(jīng)元，并結(jié)合IMEE成像，系統(tǒng)性地鑒定了不同類(lèi)型神經(jīng)元的個(gè)體與群體遷移模式。結(jié)果顯示，源于背側(cè)端腦的新生興奮性神經(jīng)元通過(guò)多極化遷移（Multipolar migration）、位移運(yùn)動(dòng)（Locomotion）及胞體轉(zhuǎn)運(yùn)（Somal translocation）方式在大腦皮層中進(jìn)行徑向遷移；而產(chǎn)生于腹側(cè)端腦的抑制性神經(jīng)元?jiǎng)t分別通過(guò)異質(zhì)或同質(zhì)方向擴(kuò)散模式于皮層邊緣區(qū)（Marginal zone，MZ）或腦室下區(qū)（Subventricular zone，SVZ）進(jìn)行切向遷移。
圖2.胚胎小鼠大腦皮層內(nèi)抑制性神經(jīng)元的切向遷移
此外，借助IMEE技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Cx3cr1GFP+/-轉(zhuǎn)基因胚胎小鼠大腦皮層中內(nèi)源熒光標(biāo)記的小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，并結(jié)合細(xì)胞形態(tài)變化構(gòu)建向量場(chǎng)，進(jìn)行了拓?fù)浞纸夥治?。結(jié)果顯示，靜息狀態(tài)下的毛細(xì)血管相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞（Capillary-associated microglia, CAMs）與腦實(shí)質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞（Parenchymal microglia, PCMs）在環(huán)境監(jiān)視中表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)行為模式，其中后者顯示出更活躍的細(xì)胞突起伸縮運(yùn)動(dòng)。
圖3.胚胎小鼠大腦皮層內(nèi)靜息態(tài)小膠質(zhì)細(xì)胞的監(jiān)督行為
結(jié)合活體血管標(biāo)記技術(shù)與IMEE，研究首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)哺乳動(dòng)物胚胎大腦內(nèi)神經(jīng)?血管?免疫互作的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)。根據(jù)抑制性神經(jīng)元在切向遷移過(guò)程中引導(dǎo)突與血管的接觸方式，研究團(tuán)隊(duì)區(qū)分出兩類(lèi)互作模式：末端接觸（Terminal contact，TC）與突起接觸（Process contact，PC）。結(jié)果表明，末端接觸會(huì)引發(fā)神經(jīng)元引導(dǎo)突分支收縮或新生，從而改變遷移路徑以繞過(guò)接觸對(duì)象；而突起接觸則允許神經(jīng)元沿原方向繼續(xù)遷移，例如沿血管壁“滑動(dòng)”。
圖4.抑制性神經(jīng)元與血管相互作用的不同模式
此外，通過(guò)單細(xì)胞及組織轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，研究團(tuán)隊(duì)解析了Eph-ephrin與Plexin-Semaphorin兩類(lèi)化學(xué)排斥性信號(hào)通路成員在神經(jīng)元、血管內(nèi)皮細(xì)胞與小膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)模式與潛在細(xì)胞間通訊模式。進(jìn)一步體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)EphA4受體在介導(dǎo)中間神經(jīng)元引導(dǎo)突末端接觸血管后的排斥行為中起關(guān)鍵作用。
將IMEE應(yīng)用于丙戊酸誘導(dǎo)的自閉癥譜系障礙小鼠模型，研究揭示了抑制性神經(jīng)元的遷移行為缺陷，將細(xì)胞動(dòng)態(tài)異常與宏觀(guān)發(fā)育表型直接關(guān)聯(lián)，為理解此類(lèi)疾病在胚胎期的病理機(jī)制提供了關(guān)鍵的在體證據(jù)。
圖5.抑制性神經(jīng)元在自閉癥譜系發(fā)育障礙小鼠模型中的遷移行為缺陷
此外，通過(guò)子宮內(nèi)損傷模型結(jié)合IMEE，研究證實(shí)胚胎小膠質(zhì)細(xì)胞能迅速響應(yīng)損傷、聚集至受損區(qū)域，并轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，執(zhí)行吞噬與組織修復(fù)功能。
圖6.胚胎小膠質(zhì)細(xì)胞響應(yīng)環(huán)境壓力的免疫激活行為
綜上，該研究綜合應(yīng)用新型胚胎小鼠活體成像技術(shù)IMEE、活體血管標(biāo)記與向量場(chǎng)拓?fù)浞治龅确椒?，系統(tǒng)闡明了哺乳動(dòng)物胚胎大腦內(nèi)不同類(lèi)型神經(jīng)元與免疫細(xì)胞的動(dòng)態(tài)行為，首次揭示了遷移神經(jīng)元與血管網(wǎng)絡(luò)、小膠質(zhì)細(xì)胞之間的動(dòng)態(tài)互作模式，并展示了病理?xiàng)l件下細(xì)胞行為的異常與響應(yīng)。該工作為深入理解大腦發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞對(duì)周?chē)h(huán)境的適應(yīng)機(jī)制提供了重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論依據(jù)，也為研究發(fā)育性腦疾病的致病機(jī)制提供了全新方法。
圖7.研究總結(jié)圖
米達(dá)與郭增才為論文共同通訊作者；清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生龍真、醫(yī)學(xué)院2017級(jí)臨床醫(yī)學(xué)八年制（MD/PhD）博士生于永震與生命科學(xué)學(xué)院2021級(jí)博士生賀辰祎為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)“篤實(shí)”專(zhuān)項(xiàng)基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01313-3
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
