2025年4月9日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心孫衍剛研究團隊在《Neuron》發(fā)表題為《Single-neuron projectome reveals organization of somatosensory ascending pathways in the mouse brain》的研究論文，繪制了軀體感覺上行通路的精細(xì)"交通地圖"。

我們每天都能感受到觸摸的溫暖、疼痛的警示或瘙癢的不適，這些軀體感覺對我們的生存至關(guān)重要。軀體感覺信息通過外周神經(jīng)傳遞至脊髓，進一步通過脊髓投射神經(jīng)元這一"信息中轉(zhuǎn)站"上傳至大腦，形成我們對軀體感覺的感知。然而，這個看似簡單的過程背后，卻隱藏著極其復(fù)雜的神經(jīng)聯(lián)接模式。

盡管國際學(xué)界已通過群體示蹤技術(shù)初步勾勒出體感通路的大致輪廓，但長期以來，兩個核心問題阻礙著該領(lǐng)域的深入探索：首先，在單神經(jīng)元水平上，脊髓投射神經(jīng)元是否存在特異的投射模式？其次，這些神經(jīng)元如何與腦內(nèi)中繼神經(jīng)元共同形成精確的軀體感覺信息處理網(wǎng)絡(luò)？由于傳統(tǒng)技術(shù)的分辨率限制，這些問題始終懸而未決，制約了人們對軀體感覺信息處理機制的理解。

為回答上述問題，研究團隊創(chuàng)新性地結(jié)合了病毒示蹤和高分辨率成像和重構(gòu)技術(shù)，就像給每個神經(jīng)元安裝了微型追蹤器。團隊通過對脊髓神經(jīng)元和腦內(nèi)中繼神經(jīng)元的完整追蹤，最終構(gòu)建出了迄今為止最完整的體感神經(jīng)"高清地圖"，該高分辨率的單神經(jīng)元全腦投射譜的開放數(shù)據(jù)庫（https://mouse.digital-brain.cn/projectome/spcd），現(xiàn)已向全球開放。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，脊髓中的信息傳遞系統(tǒng)展現(xiàn)出驚人的精密組織模式：在脊髓層面，團隊發(fā)現(xiàn)脊髓投射神經(jīng)元可根據(jù)樹突形態(tài)特征分為15類，這些神經(jīng)元通過特化的樹突結(jié)構(gòu)從不同脊髓層面采集信息，形成了精確的信息輸入系統(tǒng)。同時，研究鑒定出19類投射神經(jīng)元亞型，每一種亞型都具備獨特的投射模式，構(gòu)成了多樣化的信息輸出網(wǎng)絡(luò)。在腦內(nèi)中繼網(wǎng)絡(luò)方面，研究揭示了丘腦、臂旁核和中腦等關(guān)鍵節(jié)點如何分工協(xié)作，確保感覺信息的精準(zhǔn)傳遞。丘腦通過三條主要通道分別處理感覺、運動和情感信息；臂旁核的中繼神經(jīng)元中約14%具有跨半球通訊能力；上丘內(nèi)中繼神經(jīng)元則通過兩條平行通路分別參與定向行為和全身防御反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)為理解感覺信息處理提供了全新視角。

圖1：小鼠脊髓投射神經(jīng)元與腦內(nèi)中繼神經(jīng)元單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律的圖示總結(jié)。

本研究全面揭示了脊髓投射神經(jīng)元與中樞中繼神經(jīng)元的投射模式及組織聯(lián)接規(guī)律，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元通過并行-發(fā)散-匯聚等投射模式構(gòu)建信息高速公路，更鑒定出多種投射模式特異的神經(jīng)元亞型，為理解疼痛、觸覺等感知覺神經(jīng)機制提供了全新結(jié)構(gòu)框架。研究團隊創(chuàng)建的開放數(shù)據(jù)庫已向全球科研人員免費開放，這將加速基礎(chǔ)和臨床研究相關(guān)領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)，還將為人工智能的感知系統(tǒng)設(shè)計提供生物靈感。

中國科學(xué)院腦智卓越中心博士生丁文群、宋薇、全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜研究平臺史曉雪與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院豐釗為本文共同第一作者，中國科學(xué)院腦智卓越中心孫衍剛研究員、復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院/附屬華山醫(yī)院鄧娟研究員、中國科學(xué)院腦智卓越中心王曉飛和華中科技大學(xué)李安安教授為本文的共同通訊作者。該研究得到了國家科技創(chuàng)新2030重大專項、國家自然科學(xué)基金等項目資助。