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MOST/fMOST系列设备不仅可以获得单细胞分辦的小鼠全脑连接图谱、神经环路的全脑精准定位以及神经元的长程投射追踪。还可用于果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、灵长类等各种模式动物在正常、疾病及发育过程中神经和血管网络的变化以及各种组织、器官的三维精细成像及重构。该系列设备将成为脑科学研究、脑疾病防治、肿瘤诊断、意识本质探索以及人工智能等领域的基础研究工具。
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截止目前，使用MOST/fMOST技术发表文章已接近百篇，文章总影响因子为575，平均单篇文章影响因子6.53。2020年2-3月，使用fMOST技术发表文章呈现井喷状态，共发表三篇顶级文章，包括一篇Nature Methods，两篇Neuron，沃亿生物对这三篇文章进行了梳理，分享给大家。
1，RecV重组酶系统实现了对单细胞或细胞群体的体内靶向光诱导基因组修饰
图1：使用fMOST技术文章发布在Nature Methods杂志，发布日期2020年3月23日
2020年3月23日，美国艾伦脑科学研究所、斯坦福大学联合中国华中科技大学、温州医科大学等单位在Nature Methods上发文，利用RecV重组酶系统实现了对单细胞或细胞群体的体内靶向光诱导基因组修饰。
图2. RecV重组酶系统的设计
为了能够靶向单个神经元进行结构和功能研究，研究人员创建了基于Cre、Dre和Flp（RecVs）的光诱导位点特异性DNA重组酶。RecVs可在体内利用单光子或双光子光诱导来改变基因组修饰。通过修饰小鼠和斑马鱼基因组中的多个基因位点，这一技术可以对单个神经元产生靶向性、稀疏高亮的标记。结合其他遗传策略，还可以实现不同神经元类型的交叉定位。
图3. 利用fMOST技术在全脑范围内重建了8个RecVs标记的体感皮层锥体神经元。整个大脑图谱由12089张图像组成，分辨率xyz: 0.3×0.3×1μm3。
与fMOST技术结合，使得小鼠皮层中单个神经元的稀疏标记以及全脑形态重建成为可能。此外，这些酶可实现单细胞双光子靶向遗传修饰，并且可以与具有最小干扰的功能性光学指示剂组合使用。总之，RecVs能够实现时空上精确的光诱导基因组修饰，并通过结合遗传特性、形态学、连接组和功能研究，有助于在单细胞水平进行详细的神经环路分析。
2.多巴胺系统控制激励性记忆的表达
图4：使用fMOST技术文章发布在Neuron杂志，发布日期2020年2月25日
2020年2月25日，北京生命科学研究院（NIBS）罗敏敏教授团队在学术期刊《Neuron》在线发表研究论文，该研究发现一群位于中缝背核的多巴胺神经元控制奖赏和惩罚相关记忆的表达，并揭示了其调控奖赏相关记忆表达的神经环路机制。
图5：文章主要结论
记忆的形成（学习）和表达由大脑中多个核团共同控制。这些核团接受大量的多巴胺能输入。前期研究表明多巴胺系统，特别是位于伏隔核的多巴胺神经元，驱动学习和记忆，尤其是奖赏相关记忆的形成。而多巴胺系统是否参与记忆的表达并不清楚。
研究人员注意到在中脑的中缝背核中也存在有一定数量的多巴胺神经元。相对于伏隔核中的多巴胺神经元，中缝背核多巴胺神经元由于数量较少，并且被一些前期研究认为是伏隔核多巴胺神经元的延伸，在以往研究中这些神经元长期被忽略。其行为学功能，特别是是否参与学习与记忆过程，并不明确。
图6：结合fMOST技术，详细描绘了中缝背核多巴胺神经元的全脑形态学特征
研究人员首先利用前期开发的单细胞重构技术，结合fMOST技术，详细描绘了中缝背核多巴胺神经元的全脑形态学特征，确认中缝背核多巴胺神经元为独立于伏隔核多巴胺神经元的一群特殊的中脑多巴胺神经元，主要投射到终纹床核和杏仁核中部。
3.脑前额叶外皮促肾上腺皮质激素释放因子神经元控制挑战情境下的行为方式选择
图7：使用fMOST技术文章发布在Neuron杂志，发布日期2020年2月25日
2020年2月25日，中国科学技术大学联合华中科技大学等单位在Neuron上发文，发现了内侧前额叶（mPFC）中的促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）神经元在压力环境中对行为选择有重大影响。研究通过对背内侧前额叶皮层（dmPFC）CRF神经元进行敲除或者抑制活性，发现能增加悬尾和强迫游泳中不动的时间，并且能引起小鼠产生社交回避；而激活了dmPFC CRF神经元则可提升小鼠对压力的抵抗。
图8：敲除和激活CRF神经元对小鼠压力应激行为影响
对CRF神经元的作用机理研究建立在对CRF神经元的定位和定性上。该研究首先通过形态学、电生理和钙成像等方法，确定了CRF神经元为一种独特的GABA能抑制性中间神经元亚型，并且这种神经元直接参与了悬尾等试验中的应激反应。其中在定位方面，利用fMOST成像技术获取了连续的包含CRF神经元冠状面图像, 并运用三维重构清晰地展现了CRF神经元的全脑空间分布，这样避免了对单一脑切片观察而造成的分布信息不准确。
图9：AB: 三维重建小鼠全脑tdTomato标记的mPFC CRF神经元； C: 单一冠状面切片组和三维重建后的mRFC CRF神
研究中所涉及的成像技术仪器：
该研究中使用的BPS成像系统对应的商品化仪器为BioMappin3000及 BioMapping 5000设备，可用于自动获取全脑内神经环路成像和空间定位以及自动获取全脑神经元完整形态成像和空间定位。
参考文献：
1. Chen P, et al. Prefrontal Cortex Corticotropin-Releasing Factor Neurons Control Behavioral Style Selection under Challenging Situations. Neuron 2020. 106, 1–15
2. Rui Lin et al., The Raphe Dopamine System Controls the Expression of Incentive Memory. Neuron 2020, 106, 1–17
3. Shenqin Yao et al., RecV Recombinase System for in Vivo Targeted Optogenomic Modifications of Single Cells or Cell Populations. Nat Methods 2020 Mar 23 [Online ahead of print]
