构建人脑神经递质受体的三维图谱，映射大脑结构、动力学和认知功能

时间：2022-11-20 20:59:28   热度：37.1℃   作者：网络

神经递质受体支持人脑信号的传播。受体系统是如何在宏观神经解剖学中存在的，它们是如何形成突现功能的，人们对它们的了解仍然很少，也不存在全面的受体图谱。

近日，Bratislav Misic团队整理了1200多名健康个体的正电子发射断层扫描数据，构建了横跨9个不同神经递质系统的19个受体和转运蛋白的全脑三维规范图谱，他们的成果发表于Nature Neuroscience杂志上，名为“Mapping neurotransmitter systems to the structural and functional organization of the human neocortex”。这项工作展示了化学结构如何塑造大脑结构和功能，为研究多尺度大脑组织提供了新的方向。

神经递质受体异质性地分布在新皮层中，并对神经递质的结合作出反应。神经递质受体通过调节细胞的兴奋性和放电速率，有效地介导电脉冲的传递和传播。因此，神经递质受体驱动突触的可塑性，改变神经状态，并最终形成整个网络的交流。不同神经递质受体的空间分布如何与大脑结构相关，如何在系统水平上塑造大脑功能仍是未知的。

通过整理来自9个不同神经递质系统的共19个不同神经递质受体、转运体和受体结合位点的PET图像，构建了神经递质受体密度的全面皮层概况(图1)，包括多巴胺、去甲肾上腺素、血清素、乙酰胆碱、谷氨酸、GABA、组胺、大麻素和阿片类物质。

图1. 神经递质受体和转运体的PET图像

受体分布反映了结构和功能组织

为了量化两个大脑区域被内源性或外源性输入相似调节的潜力，作者计算了成对大脑区域之间的受体-转运体指纹的相关性(图2a)，称为受体相似性，类似于其他常用的区域间属性相似性度量，包括解剖相似性、形态相似性、基因相似性、时间剖面相似性和微观结构相似性。受体相似度近似正态分布(图2b)，支持近端神经元共享相似微结构的概念(图2c)。

为了完整起见，作者将受体按生物机制(兴奋抑制、离子化代谢和Gs-/Gi-/Gq-coupled代谢途径)和神经递质蛋白结构(单胺基-单胺基)分层，以提供对潜在生物途径的额外信息(图2g)。

图2.构建皮质神经递质受体和转运体图谱

作者发现神经递质受体组织反映了结构和功能的连通性。在结构连接的大脑区域对之间的受体相似性更大，这表明在解剖学上连接的区域可能是协同调制的(图3a)。作者观察到具有相似受体和转运蛋白组成的大脑区域表现出更强的功能共激活。

这些结果表明，受体图谱与空间邻近之上和之外的结构和功能连接模式系统性地一致，与受体图谱指导区域间信号传导的概念一致。作者发现，将受体图谱作为脑结构的输入变量，可以显著提高单峰区和旁中央小叶区域功能连通性的预测(图3c)。

图3. 受体分布反映了结构和功能组织

受体轮廓形成振荡神经动力学

作者发现多个神经递质系统的重叠空间地形可能最终表现为相干振荡模式（图4a）。作者发现，与其他受体相比，MOR(阿片)、H3(组胺)和α4β2的空间分布对受体与低频(θ和α)和低γ功率带之间的拟合有很大的贡献（图4b）。图4.受体轮廓形成振荡神经动力学

将受体映射到认知功能

PLS分析提取了一个显著的潜在变量，将受体转运体密度与整个大脑的功能激活相关。潜在变量代表了受体分布(受体权重)和功能激活(认知权重)的主要空间模式，它们共同捕获了两个数据集之间54%的协方差(图5a)。将受体密度(功能激活)矩阵投影到受体(认知)权重上，反映了大脑区域显示受体和认知权重模式的程度，作者分别称之为受体得分和认知得分(图5b,c)。

受体和认知评分模式显示一种sensory-fugal空间梯度，将边缘皮质、旁边缘皮质和岛叶皮质从视觉和体感皮质中分离出来。然后，使用距离相关方法交叉验证了受体和认知评分之间的相关性(图5d)。这一结果证明了受体分布与认知专业化之间的联系，这可能是由层分化和突触层次调节的。图5. 将受体映射到认知功能

结 论

作者构建了人脑神经递质受体的三维图谱，系统地将受体与连接、动力学、认知专业化和疾病易感性联系起来。此工作揭示了大脑的一个基本组织特征，并为从多尺度系统层面理解大脑结构和功能提供了新的方向。