现代神经科学需要探索许多物种之间的差异,包括实验室啮齿动物和人类。然而,当涉及大脑庞大的哺乳动物时,技术难题也会出现。该方法涵盖了多种不同哺乳动物中神经元群体的跨物种变异,得出了可比的结果,用于揭示进化模式。
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现代神经科学需要探索许多物种之间的差异,包括实验室啮齿动物和人类。然而,当涉及大脑庞大的哺乳动物时,技术难题也会出现。该方法涵盖了多种不同哺乳动物中神经元群体的跨物种变异,得出了可比的结果,用于揭示进化模式。
大多数神经生物学研究是在实验室啮齿动物身上进行的。尽管哺乳动物大脑有许多相似之处,但也存在重要的差异,这些差异在翻译时可能具有误导性。在大脑可塑性方面,尤其是神经发生方面,发现了显著的跨物种差异。由于进化权衡,不同的神经发生过程可能普遍存在,这些过程在大脑结构和哺乳动物间表现出变异,并改变了不同物种(如小鼠和人类)的可塑性潜力。比较差异较大的物种会带来多重问题:当涉及大型大脑时,比较研究会遇到技术难题;不同实验室采用异质实验方法可能会限制结果的比较;异质性可能与哺乳动物神经发育过程的不同时间周期有关,从而增加了比较变量。
为解决这些局限性,建立了一种方法,研究哺乳动物中在脑容量、回脑、社会生态位和年龄等方面差异较大的第二层皮层未成熟神经元群体的跨物种变异。尽管存在一些无法完全标准化的变量,但提出了一种结合减少大脑采集异质性和建立共同解剖结构作为对应脑层细胞计数参考点的方法。获得的数据(例如细胞密度)可以映射到系统发育树上,揭示进化模式,并分析其与神经解剖特征(如大脑大小、皮层表面积)的协变性。该方法显示,不同系统发育组间皮层未成熟神经元数量存在显著差异,并发现了与大脑大小的共变。该方法还可用于量化同一物种不同发育阶段的差异,并可推广至其他多样哺乳动物和生物过程,绘制可比结果,从而更准确地量化成年大脑不同细胞群体,支持可塑性。
神经科学研究主要利用近交小鼠和大鼠将结果转化为人类。尽管分子、细胞甚至解剖学上有许多相似之处,但重要的物种间差异也存在,这可能对临床前数据的解读产生误导。虽然需要比较研究,但当涉及大型大脑时,技术和实际作上存在困难(例如,小鼠的平均重量从0.5克到人类的1300克;图1A)。此外,不同实验室采用异质实验方法,尤其是定量分析,可能限制结果比较,有时引发争议。这就是大脑结构可塑性的情况,特别关注神经发生过程3,4,5,这一主题对理解发育性神经可塑性和脑修复具有重要意义 6,7。
脑可塑性领域的最新发现强烈表明,在进化过程中,不同类型神经发生过程的发生、速率和解剖位置存在显著差异。例如,成年大脑哺乳动物中干细胞驱动的神经发生明显减少,相较于实验室啮齿动物5,9,10,这可能与大脑区域和功能因适应生态压力而变化有关,7,8以及不同的神经发育时间周期11,12.小鼠和人类的神经发生速率差异显著,因此引发了翻译13的问题。
另一方面,一种新型的“无分裂神经发生”表现为神经元在成熟停止时被阻断(即未成熟或休眠神经元14,15,16,17,18,19),被假设从小脑向大脑物种增加 20,21.有趣的是,不依赖干细胞的未成熟神经元群体寄主于大脑皮层(回脑细胞物种中高阶认知的部位22,23),远离主要与嗅觉和空间导航相关的典型神经发生位点,后者在光滑脑物种中仍极为重要 7,8.这些跨脑结构和哺乳动物物种的差异超越了单纯的比较兴趣,因为它们可以通过转移小鼠和人类可塑性潜力来实现翻译。因此,必须以“可比方式”评估这些差异在多大程度上代表了不同哺乳动物间的系统发育变异,特别针对实验室啮齿动物和灵长类动物。
最近建立的一种方法,用于研究哺乳动物中在脑容量、脑回和社会生态位22、24、25上差异较大的第二层皮层未成熟神经元(cIN)种群的物种间变异。该方法基于三个原则:i)考虑多种(多样的)哺乳动物物种并行处理,采用相同程序;ii)减少在不同大脑中无法完全标准化的变量(如固定程序、死后间隔、年龄),并通过使用研究细胞群体中广泛共享的特征作为内部正对照,解决免疫细胞化学中抗体的物种特异性;iii)建立对应的解剖结构作为对不同物种对应大脑水平进行细胞计数的参考点(图1B和图2)。通过计数与已知标记双皮质(DCX 15,17,26)识别的细胞所得数据(如细胞密度)可以映射到系统发育树上,揭示进化模式,并分析与不同参数(如脑容量、回脑回和皮层表面积)的协方差。

图1:处理截然不同的哺乳动物大脑,用于评估皮层外套膜中cIN的分布和数量。(A)不同物种和目类的哺乳动物在脑容量和脑回及皮层扩展程度上差异很大。脑图标以BioRender许可复制。(B)代表性甲苯胺蓝色染色冠状切片,取自大小和皮层外套延伸的大脑。使用组织染色的序列切片(冷冻切口,冠状切口,厚40微米)用于识别每种动物的主要神经解剖结构(见图3);请注意大脑大小和皮层周长的显著差异。面板A中的动物图标经La Rosa等人许可复制。请点击此处查看该图的放大版本。
最后,由于所有可塑过程通常随着年龄增加而逐渐减少,27、28岁,比较神经可塑性中的另一个问题是评估这种减少的不同时间周期,这可能与哺乳动物不同神经发育过程的时间周期有关 12,29,30.事实上,快速成熟(小鼠)与慢熟(灵长类)物种的存在,也是导致最常见的模型系统——实验室小鼠——在生物医学科学挑战中受限的另一个原因。这里描述的方法也有助于考虑不同物种生命周期中不同年龄的细胞群体,然后比较不同物种间的趋势。小脑和大脑哺乳动物之间发现了cIN密度的系统发育变异,以及其在不同年龄段的持续性差异(22,28)。
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所有动物作均符合相关国家和机构法规。小鼠组织由意大利奥尔巴萨诺的Cavalieri Ottolenghi神经科学研究所(NICO)获得,获得意大利卫生部授权(RRID: MGI:3696370),并由Serena Bovetti和Charles River实验室提供。根据1986年《动物(科学程序)法案》附表1,在安乐死后立即采集了裸露的鼹鼠组织。兔子实验遵循欧洲共同体理事会指令86/609/EU及意大利法律(DL.vo 116/92),并获得意大利卫生部批准(授权66/99-A)。羊脑和马脑尸检是在商业屠宰场根据指令86/609/EEC进行的,并在持续兽医监督下取得。狗脑由MarshallBio实验室(法国里昂)在尸检时提供,并附带所需授权;猫脑在帕多瓦大学例行诊断尸检中,获得主人同意,尸后采集。所有程序均遵循欧盟和意大利法律。黑猩猩样本的处理遵循国际医学科学组织理事会(CIOMS)国际指导原则及美国国立卫生研究院实验动物福利办公室(NIH-OLAW)许可A5761-01(有关各动物物种和实验的详细信息,详见补充表1和参考文献22,25)。
1. 收集大脑
2. 脑组织固定与处理
注意:固定程序可能因脑容量和某些动物物种的伦理问题而异(大多数大脑较大的灵长类动物或马无法灌注,必须在提取后浸入固定液中固定)。
3. 全半球低温容器切割

图2:处理不同大脑的过程,采用相同程序并处理无法标准化的变量。 在上述方法中,所有可标准化的程序均以相同方式进行(一般固定、在整个半球切割相同厚度的连续冠状切片、一般免疫细胞化学程序、细胞计数)。用BioRender(https://app.biorender.com/)制作的图形。 请点击此处查看该图的放大版本。
4. 组织学染色
5. 脑水平选择与免疫组化染色

图3:建立神经解剖脑水平,用于研究DCX+未成熟神经元在大脑皮层中的分布和数量。 四个对应的神经解剖结构(侧脑室前起始[L1];内囊前起始[L2];杏仁核前起始[L3]);侧脑室后闭[L4];用红色圆圈表示)被认为能在所有考虑的哺乳动物中建立四个对应的前后“脑级”,以“可比”方式研究大脑皮层中的cIN数值。(A)给出实验室啮齿动物(小鼠,左)和灵长类动物(黑猩猩,右)的例子。每个脑层的三个冠状切片(共12个切片;红色箭头)用于每个冠状切片II层周长的细胞计数(注:所有切区均包含新皮层,但只有部分部分包含古皮层)。该方法旨在使分析能够在大小差异较大的大脑中对应的神经解剖层级进行。(B)举例说明在组织学染色的截面中识别第一级(L1),该切片具有很大差异。用BioRender创建的大脑和动物图标。 请点击此处查看该图的放大版本。
6. 细胞计数
7. 系统发育分析:系统发育树生成
8. 系统发育分析:计数系统发育树中的数据整合
9. 系统发育分析:脑容量与DCX+细胞密度的相关性
10. 系统发育分析:新皮层扩展与新皮层DCX+细胞密度相关
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所有研究物种大脑皮层中的DCX+细胞一致共享一系列特征,表明存在一个保存良好的未分化神经元群体(见图4A)。简而言之,它们:(i)在皮层II上被地形排列成单层;(ii)展示未成熟神经元不同成熟阶段描述的形态亚型,(a)大量存在小型单极/双极细胞,少数细胞具有类似锥体神经元的复杂树突,(b)大多数共表达未成熟标记PSA-NCAM和DCX,但从未共表达与细胞分裂相关的Ki67抗原, 以及(c)一群大型复杂细胞也表达NeuN,表明它们已开始成熟22,25。
除了这些共同特征外,当用此处描述的方法量化cINs的线性密度时,样本中物种间差异显著,达到数量级(见图4B)。哺乳动物中未成熟细胞群体存在共同特征,而不同物种间细胞的出现和数量存在显著差异,强烈支持哺乳动物大脑皮层中保留了保存良好的潜在可塑细胞群体的结论,且新皮层在系统发育祖先和
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这里描述的方法在考虑大脑大小和神经解剖结构差异很大的物种时,提供了可比的定量数据。它可用于评估不同哺乳动物大脑中细胞群体的一致性,并跟踪单一物种在出生后到衰老的后续阶段的发展。它假设会涉及较多的大脑(整个半球)和物种,由同一实验室按照采样和固定的质量标准进行处理,然后采用相同的程序进行分析(见图1和图2)。
协议中的关键步骤包括那些由于脑容量及伦理/实际原因(例如受保护哺乳动物物种不允许的程序)无法完全标准化的变量。最常见的是死后间隔(PMI)和组织固定,这些条件可能相似(但不完全相同)。根据我们的经验,这两种情况都有可接受的变异,比如将PMI控制在1小时以内(如羊、马)或15小时(黑猩猩),并通过浸泡找到合适的固定时间(见图2)。在每种情况下,方案是否最优都通过评估组织质量(切片后切片的整体外观、组织和细胞形态、免疫细胞化学染色)来决定。在之前的一...
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作者没有什么可透露的。
我们感谢Matteo Piumatti和Chiara La Rosa为定义这里报告的皮层未成熟神经元方案做出了贡献。该工作得到了都灵里斯帕米奥基金会(Fondazione CRT - Cassa di Risparmio di Torino,资助RF=2022.0618)支持给LB;PRIN2022(2022LB4X3N资助)转给LB;美国国家科学基金会(资助EF-2021785,DRL-2219759)和美国国立卫生研究院(资助NS092988、AG067419)支持CCS。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 10% 福马林 | 西格玛-奥尔德里奇 | HT501128 | |
| 2-甲基丁烷 | 西格玛-奥尔德里奇 | 320404 | 异戊烷 |
| 3,3′-二氨基苯二胺四盐酸水合物 | 西格玛-奥尔德里奇 | D5637 | |
| 4% 对甲醛 | 西格玛-奥尔德里奇 | 441244 | |
| 牛血清白蛋白 | 西格玛-奥尔德里奇 | A9647 | |
| 柠檬酸及nbsp; | 西格玛 | C0759 | |
| 组织学用DPX装体 | 西格玛-奥尔德里奇 | 06522 | |
| 乙醇 | 默克 | 1.00983 | |
| 乙二醇 | 西格玛-奥尔德里奇 | 102466 | |
| 甘油 | 西格玛-奥尔德里奇 | G7893 | |
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