撰文︱谢志勇
责编︱王思珍
感觉运动转换（sensorimotortransformation）是将感觉信息转换为运动的神经过程，对大脑启动本能行为至关重要。尽管人们对感觉运动转换的神经环路机制和计算模型已有一定了解，但其潜在的分子遗传编码机制几乎完全未知。
年7月28日，北京生命科学研究所的曹鹏课题组和中科院生物物理研究所的王晓群课题组合作，在生命科学著名刊物eLife上在线发表了题为Transcriptomicencodingofsensorimotortransformationinthemidbrain的研究论文。该研究以中脑上丘（superiorcolliculus,SC）这一参与早期感觉运动转换的关键脑区为对象，联用单细胞转录组测序和神经环路功能分析的两种方法，揭示了大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制。研究者首先应用单细胞测序技术鉴定了位于不同层面的上丘神经元的标志基因。其中Cbln2和Pitx2基因分别特异地标记了上丘视神经层（opticnervelayer，Op）和中间灰质层层（intermediategraylayer，InG）的谷氨酸能投射神经元。神经环路功能分析进一步表明这两类神经元分别参与了截然不同的两个感觉运动转换过程：依赖于视觉的躲避天敌的本能防御行为和依赖于触觉的捕食猎物的本能行为。
单细胞测序手段首次应用于中脑上丘神经元的分型研究
首先，研究者通过10XGenomics对个上丘细胞进行了单细胞转录组测序。根据经典的标志基因，将上丘细胞分为兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞、小胶质细胞、内皮细胞、纤毛细胞和脑膜细胞。然后分别将兴奋性神经元和抑制性神经元进一步划分为9个和10个亚簇。为了解析环路特异性的遗传编码机制，研究者分别在vGlut2-IRES-Cre小鼠上丘的下游脑区LPTN（lateralposteriorthalamicnucleus，外侧后下丘脑核）和ZI（zonaincerta，未定带）注射AAV2-retro-DIO-EGFP病*。发现，投射到LPTN和ZI的上丘谷氨酸能神经元分别位于上丘的Op层和InG层。通过对表达EGFP的细胞进行Patch-Seq和单细胞转录组测序，研究者进一步发现了投射至LPTN的上丘Op层神经元、以及投射至ZI的上丘InG层神经元的标志基因。其中Cbln2和Pitx2分别特异性地在这两类神经元中表达。图1单细胞测序手段首次应用于中脑上丘神经元的分型研究（图片引自：XieZ,etal.,eLife）
上丘Cbln2+和Pitx2+神经元是躲避天敌和捕食猎物本能行为所必须的
随后，研究者构建了特异标记Cbln2+神经元的Cbln2-IRES-Cre小鼠，并采用了能够特异标记Pitx2+神经元的Pitx2-Cre小鼠。分别通过在这两种Cre品系的上丘注射AAV-DIO-EGFP-2A-TeNT病*以特异性地阻断上丘Cbln2+细胞和Pitx2+细胞的突触传递，研究者发现，上丘Op层的Cbln2+细胞是小鼠启动依赖于视觉的躲避天敌本能防御行为所必须的，而上丘InG层的Pitx2+则是依赖于触觉的捕捉猎物本能行为所必须的。图2上丘Cbln2+和Pitx2+神经元是躲避天敌和捕食猎物本能行为所必须的
（图片引自：XieZ,etal.,eLife）
上丘Cbln2+和Pitx2+神经元分别编码天敌的视觉信息和猎物的触觉信息
通过在Cbln2-IRES-Cre小鼠上丘Op层和Pitx2-Cre小鼠上丘InG层注射AAV-DIO-GCaMP7病*并进行光纤记录，研究者发现，上丘Cbln2+细胞对视觉刺激有较强反应，而对胡须触觉刺激无显著反应。上丘Pitx2+细胞对胡须触觉刺激有较强反应，而对视觉刺激无显著反应。提示Cbln2+和Pitx2+上丘神经元可能包含两组不同的神经回路模块。图3上丘Cbln2+和Pitx2+神经元分别编码天敌的视觉信息和猎物的触觉信息
（图片引自：XieZ,etal.,eLife）
上丘Cbln2+和Pitx2+神经元接受完全不同的神经输入
通过狂犬病*示踪（RVtracing）的方法，研究者发现，上丘Cbln2+神经元接受初级视觉皮层以及对侧视网膜的单突触输入，而上丘Pitx2+神经元则接受初级触觉皮层以及介导头面部触觉的三叉神经复合体Pr5等的单突触输入。图4上丘Cbln2+和Pitx2+神经元接受完全不同的神经输入（图片引自：XieZ,etal.,eLife）上丘Cbln2+和Pitx2+神经元通过不同的神经环路启动本能行为
文章最后，研究者通过对上丘Op层的Cbln2+细胞和InG层的Pitx2+的投射进行追踪，发现这两类细胞有着截然不同的投射脑区。通过在这两类细胞中表达ChR2（光敏感通道蛋白），研究者发现，光激活上丘Op层的Cbln2+细胞在LPTN的投射可以触发小鼠出现类似于躲避天敌的僵直（freezing）行为，而光激活上丘InG层的Pitx2+细胞在ZI的投射则可以促进小鼠的捕食猎物行为。图5上丘Cbln2+和Pitx2+神经元通过不同的神经环路启动本能行为
（图片引自：XieZ,etal.,eLife）
图6上丘神经元通过“阴-阳”环路模块启动逃避天敌和捕食猎物的本能行为
（图片来源：曹鹏实验室）
文章结论与讨论综上所述，这一研究揭示了中脑上丘参与攻击和防御本能行为的分子遗传编码机制。哺乳类攻击和防御本能行为的神经机制是近年来神经科学研究领域