理解转录组神经元亚型的解剖学连接和行为对于描绘脑中细胞类型特异性功能至关重要。

2025年4月1日，浙江大学脑科学与脑医学学院的李晓明、陈家东团队在Nature Communications上发表题为《Transcriptomic and spatial GABAergic neuron subtypes in zona incerta mediate distinct innate behaviors的论文，研究结果揭示了位于 ZI 分离亚区的两种独立的 GABA 能投射神经元群体的分子标记物、空间组织以及特定的神经元回路，这些回路介导着不同的先天行为，从而加深了对大脑功能组织的理解。

为了分析ZI（未定带）的细胞类型多样性，作者利用Gad67-GFP转基因小鼠在P40时期的荧光标记，结合Allen小鼠脑图谱的解剖参考，对ZI区域进行微分离。通过单核RNA测序（10x Genomics）技术，从两组独立实验中共获得15,375个单核细胞。经互反主成分分析（RPCA）和UMAP可视化后，鉴定出多种细胞类型：抑制性神经元（标记基因Gad2）、兴奋性神经元（Slc17a6）、多巴胺能神经元（Slc6a3）、小胶质细胞（Cx3cr1）、星形胶质细胞（Aldh1a1）、周细胞（Pdgfrb）、内皮细胞（Cldn5）、少突胶质前体细胞（OPCs和COPs）及成熟少突胶质细胞（Mog/Apod）。

为了研究 ZIrEcel1 GABA 能神经元的行为功能，作者在Ecel1-Cre 小鼠的ZI 区域（ZIr）双侧注射 AAV-DIO-ChR2-EYFP（实验组）或AAV-DIO-EGFP（对照组）。光遗传激活 ZIrEcel1 神经元 显著增加  自我梳理行为 （5Hz、10Hz、20Hz 刺激），而高频刺激（20Hz）还促进进食/啃咬行为。进一步研究发现， ZIrEcel1 神经元的轴突投射至脑导水管周围灰质（PAG）。电生理实验证实，光刺激ZIrEcel1→PAG 通路可诱发PAG 神经元的抑制性突触后电流（IPSCs），该效应依赖GABAA受体 ，并可被TTX 阻断和4-AP 恢复 。行为学实验显示，选择性激活ZIrEcel1→PAG通路显著增加自我梳理行为，而激活其他投射（如 LS、POA、LH、SC）无此效应。综上所述，这些结果表明，激活 ZIrEcel1 神经元以及来自 ZIrEcel1 到 PAG 通路的 GABA 胆碱能投射介导了自我梳理行为。    

作者在 Ecel1-Cre 小鼠 的 ZIr 区双侧注射 AAV-DIO-hM3Dq-mCherry（激活）或 AAV-DIO-hM4Di-mCherry（抑制），发现化学遗传激活 ZIrEcel1 神经元显著增加自发性自我梳理行为，而抑制或消融（AAV-DIO-DTA）该神经元群对自发行为无显著影响。然而，在水喷应激诱导的自我梳理实验中，抑制或消融 ZIrEcel1 神经元均显著减少梳理时间和发作频率。结果表明，ZIrEcel1神经元可双向调控自我梳理行为。

作者利用 Pde11a-Cre 小鼠，在 ZI 内侧区（ZIm） 注射 AAV-DIO-ChR2-EYFP 或对照病毒，研究 ZImPde11a GABA 能神经元 的功能。光遗传激活该神经元在旷场和高架十字迷宫测试中未影响焦虑或运动行为，但 钙成像（GCaMP6s） 结合 EEG/EMG 记录显示，这些神经元在 REM 睡眠和清醒状态 中活跃，并在 NREM→REM 转换时 钙信号增强。

光遗传激活 ZImPde11a 神经元显著促进 NREM/REM→觉醒的转换，同时抑制觉醒→NREM 和 NREM→REM 的转换。电生理实验证实，ZImPde11a 神经元通过单突触 GABA 能输入抑制脑桥网状结构（PRF）神经元，诱发 IPSCs（可被 GABAA 拮抗剂 或 TTX 阻断，并被 4-AP 恢复）。选择性激活 ZImPde11a→PRF 通路 同样 促进觉醒，表明该通路通过抑制 PRF 调控睡眠-觉醒转换。

因此，这些结果表明，ZImPde 11a GABA能投射神经元和ZImPde 11a至PRF通路的激活促进从睡眠到觉醒的转变。    

作者在 Pde11a-Cre 小鼠 的 ZIm 区注射 AAV-DIO-hM3Dq-mCherry 进行化学遗传激活，发现 光期 CNO 处理显著增加觉醒，同时减少NREM/REM 睡眠时长，并缩短 NREM 发作持续时间，提示睡眠质量下降。相反，通过 AAV-DIO-DTA 消融 ZImPde11a 神经元 后，暗期觉醒时间减少，NREM/REM 睡眠延长，且觉醒发作持续时间缩短。结果表明，ZImPde11a 神经元能双向调控睡眠-觉醒周期：激活促进觉醒，抑制则增强睡眠。    

总结

了解转录组神经元亚型的解剖学连接和行为特征对于阐明大脑中细胞类型特异性功能至关重要。在此，作者整合了单细胞转录组测序、体内环路图谱绘制、光遗传学和化学遗传学方法，以剖析小鼠未定带（ZI）中异质性 GABA 胆碱能神经元群体的分子身份和功能，该区域参与调节多种行为。通过对 ZI 进行微切割以进行转录组和空间基因表达分析，作者的结果揭示了两种不重叠的 Ecel1 和 Pde11a 表达的 GABA 胆碱能神经元，它们分别在前区和内区（ZIrEcel1 和 ZImPde11a）中占据主导表达位置。来自 ZIrEcel1 的 GABA 胆碱能投射介导自我梳理行为，而来自 ZImPde11a 的 GABA 胆碱能投射促进从睡眠到觉醒的转变。综合来看，作者的研究结果揭示了位于 ZI 分离亚区的两种独立的 GABA 能投射神经元群体的分子标记物、空间组织以及特定的神经元回路，这些回路介导着不同的先天行为，从而加深了对大脑功能组织的理解。这些发现揭示了在调节自我梳理和睡眠觉醒周期中发挥独特作用的海马GABA能投射神经元亚型的分子标记、空间组织和功能。    

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57896-2