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导语：下丘脑协调调控生理稳态和先天行为，但其详细的轴突投射模式尚不清楚。本研究绘制了雄性小鼠中表达特定神经肽的超过7,000个下丘脑神经元的全脑投射图谱，通过单神经元投射组分析鉴定出2个主要类别和31种类型。这些类别/类型表现出区域偏倚的胞体分布和特定的神经肽富集。值得注意的是，许多投射类型延伸出长程轴突侧支至不同脑区，使单个轴突能够协同调节多个靶点。研究揭示了某些肽能轴突在特定靶区的拓扑组织，以及在Orexin、Agrp和Pomc群体中多样的单神经元投射模式。此外，下丘脑肽能神经元显示出对中脑导水管周围灰质亚结构域的相关性支配，并在下丘脑内组织成模块化亚网络，为协调输出提供了结构基础。该数据集凸显了下丘脑轴突投射的复杂性，并为未来研究下丘脑功能的环路机制奠定了基础。

下丘脑肽能系统：从“黑箱”到“高清地图”

下丘脑是调节本能行为（如摄食、交配、战斗）和生理稳态（如睡眠、应激）的核心脑区。其功能主要由特定的肽能神经元（表达神经肽如Orexin、AgRP、POMC等）执行。然而，这些神经元如何通过其复杂的长程投射网络来实现如此多样的功能，一直缺乏系统的单细胞分辨率解剖图谱。

传统的示踪技术只能揭示群体水平的投射，无法区分单个神经元的轴突分支模式。单细胞测序虽然能定义分子类型，但无法揭示其投射组（projectome）——即单个神经元完整的轴突投射路径和靶区。因此，对于“一个下丘脑肽能神经元究竟同时支配哪些下游脑区”、“不同分子类型的神经元是否有独特的投射指纹”、“投射结构如何组织功能网络”等问题，仍不清楚。

研究策略：大规模单神经元投射组学

由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐晓红、孙衍刚、徐圣进、龚辉和穆宇等多位研究员领导的团队，采用了一套大规模、高通量的技术流程：

• 稀疏标记：利用Cre-LoxP系统和多种重组病毒，在16种不同的下丘脑肽能神经元群体（如Orexin、AgRP、POMC、Adcyap1等）中稀疏标记单个神经元。
• 全脑成像：使用荧光显微光学切片断层成像技术，以亚微米分辨率获取全脑图像，并通过半自动追踪重建了7,180个神经元的完整轴突形态。
• 计算分析：基于轴突分支模式、投射靶区等特征，对单神经元投射组进行无监督聚类，并结合公开的单细胞转录组数据，关联分子类型与投射类型。

核心发现：投射组定义的分类、组织原则与功能模块

1. 两大类别、31种投射类型

基于轴突投射的全脑分布模式，这7,000多个下丘脑神经元被分为两大超类和31种精细投射类型：

• 类型1-15：主要投射至前脑结构（皮层、杏仁核、纹状体等）。
• 类型16-31：主要投射至中脑和后脑结构（中脑导水管周围灰质、腹侧被盖区、脑干等）。

每种投射类型都具有独特的“投射指纹”，例如特异性靶向某个核团或一组核团。重要的是，这些投射类型与神经肽分子身份存在很强的相关性：特定的投射类型显著富集某种或某几种神经肽。例如，表达Adcyap1的神经元主要集中在类型4，而表达Tac2的神经元主要集中在类型22。

2. 长程侧支化：单细胞的多区域调控

一个惊人的发现是，许多下丘脑神经元的轴突在延伸过程中发出多个长程侧支，同时支配多个在功能上相关的远端脑区。例如，一个神经元可能同时投射到终纹床核、中央杏仁核和外侧下丘脑——这些都是调控恐惧和应激反应的核心脑区。这为“一个下丘脑神经元如何协调多个下游靶点、实现功能整合”提供了直接的解剖学证据。

3. 拓扑投射图谱：精细的空间编码

研究在多个投射系统中发现了拓扑组织原则。例如，类型4（Adcyap1+）神经元的胞体在下丘脑内的背腹轴位置，与其轴突在腹侧海马CA1区的末梢分布位置存在精确的对应关系：背侧的胞体投射至CA1的外侧部，腹侧的胞体投射至CA1的内侧部。这表明，下丘脑的输出并非杂乱无章，而是通过空间编码来组织信息流。

4. 功能相关的模块化亚网络

通过分析不同投射类型共同支配的靶区，研究发现下丘脑肽能神经元组织成多个功能模块。最突出的例子是中脑导水管周围灰质：不同下丘脑亚核（如外侧下丘脑、下丘脑背内侧核、下丘脑腹内侧核）的肽能神经元，会选择性且互补地支配中脑导水管周围灰质的不同功能列（如背外侧列与防御行为相关，腹外侧列与疼痛调节相关）。这揭示了下丘脑-中脑导水管周围灰质通路是一个高度组织化的、用于协调不同本能行为输出的模块化控制中心。

结论与意义：从“分子分类”到“投射组分类”的范式转变

这项研究提供了一个前所未有的、单细胞分辨率的下丘脑肽能神经元投射组图谱，其意义深远：

• 概念性突破：首次在单细胞水平上，将下丘脑神经元的分子身份（神经肽）与输出连接（投射组）进行了大规模系统关联。这为“细胞类型”的定义增加了关键的连接组维度，超越了单纯的转录组分类。
• 结构-功能桥梁：揭示的长程侧支化和模块化亚网络，为理解下丘脑如何协调复杂、有时甚至相互冲突的生理和行为反应（例如，同时调控摄食和恐惧）提供了具体的神经环路基础。
• 资源价值：完整的投射组数据集（7,180个神经元）已在线公开，成为神经科学界一个宝贵的资源库。研究者可以查询特定肽能群体的投射模式，或为自己的研究寻找候选的投射靶点。
• 方法论指导：展示了大规模、高通量单神经元投射组学在解析复杂脑区连接架构中的巨大潜力，为未来研究其他脑区（如丘脑、杏仁核）提供了可借鉴的技术路线。
• 疾病相关性：下丘脑功能失调与肥胖、失眠、发作性睡病（Orexin）、焦虑等密切相关。本图谱中揭示的特定投射类型的异常，可能成为未来精准干预这些疾病的潜在靶点。

该研究的通讯作者总结道：“我们的工作首次绘制了数以千计的下丘脑肽能神经元的全脑投射图谱，揭示了其令人惊叹的多样性和高度的组织性。一个神经元通过分支同时影响多个脑区，而下丘脑内部又形成模块化的‘指挥中心’，这正是下丘脑能够协调复杂本能行为的结构奥秘。” 这项发表于《Nature Neuroscience》的资源论文，为打开下丘脑这一“本能行为司令部”的黑箱，提供了一份高清的“线路图”。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-025-01919-0