身体的功能是通过大脑介导的上下游信息流来实现的。通过眼睛和耳朵等上游区域接收到的输入，由神经元分配到相应的下游区域。通过病毒载体感染跟踪病毒的表达路径，并使用荧光显微镜观察神经元群体中的光敏蛋白，科学家可以通过基因靶向这些神经元，更好地理解它们在整个信息流中的结构和功能。“然而，这些方法本身在针对从两个不同的上游区域接收单突触输入的神经元的能力上是有限的，这反过来又抑制了我们在更小范围内关注神经元结构和功能的能力。”

Mizuseki教授带领的一组研究人员开发一种方法叫“intersectional, anterograde transsynaptic targeting system,”感兴趣的基因标签神经元与单个基因(GOI),在这种情况下一个基因编码一个增强的黄色荧光蛋白。他们在两种不同的老鼠大脑回路中展示了这种标记方法:视网膜/初级视觉皮层到上丘和双侧运动皮层到背侧纹状体。

病毒载体是将遗传物质导入细胞的常用工具，可以跟踪病毒与其他细胞结合时的遗传路径。这引起了团队的思考。他们可以在大脑不同的上游区域注射带有基因的病毒，这些基因一旦与特别准备好的下游区域结合，就会改变遗传环境，产生这种增强的黄色荧光蛋白，他们可以用荧光显微镜观察到这种蛋白。该研究的第一作者Takuma Kitanishi表示:“这种结合现有技术——腺相关病毒血清型1 (AAV1)和交叉表达系统(INTRSECT)的技术，为能够显示突触特异性的标记方法带来了两方面的最佳成果。”

他们在右眼和左视觉皮层(V1)的突触前上游区域和左上丘(sSC)的突触后区域引入了基因准备好的病毒，在左侧sSC中观察到许多荧光发射神经元，但在相邻区域却没有。Mizuseki教授补充说:“我们还观察到，当忽略上游的任何一种病毒时，荧光缺失。”为了证实该团队确实观察到了视网膜/V1和sSC之间的一个特定回路，他们通过引入一种跨越血液/大脑屏障的病毒载体，为整个大脑做了准备。除了sSC中的荧光神经元外，该团队还在左侧腹侧膝状核(LGNv)中观察到它们。由于这个区域并不投射到视网膜或V1上，他们假设LGNv包含了整合视网膜和V1输入的神经元。这个额外的结果和随后测试他们工作的稳健性的调查是他们新方法提供的潜在焦点的顶峰。

在运动皮层(M2)，已知背侧纹状体(DS)接收来自M2的输入，研究小组想要找出DS神经元是否同时接收来自左右M2区域的输入。运用他们的方法，他们在所有类型的DS神经元中都发现了荧光蛋白。

“经过这些实验，”Mizuseki教授说，“很明显，我们的方法提供了一种强有力的方法，来确定接收来自两个确定的上游区域的单突触输入的神经元的位置、数量和细胞类型。”

在未来，Mizuseki教授表示有兴趣扩展这种新方法，即用一种能够产生光敏蛋白的方法来替代GOI，他们可以利用这种蛋白来用光刺激或抑制神经元活动。

Journal Reference:

1. Takuma Kitanishi, Mariko Tashiro, Naomi Kitanishi, Kenji Mizuseki. Intersectional, anterograde transsynaptic targeting of neurons receiving monosynaptic inputs from two upstream regions. Communications Biology, 2022; 5 (1) DOI: 10.1038/s42003-022-03096-3102828.htm (accessed March 9, 2022).