2024年4月22日， 《Nature Communications》期刊在线发表题为《Diverse and asymmetric patterns of single-neuron projectome in regulating interhemispheric connectivity》的研究论文。

该工作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）刘赐融研究组联合西北工业大学自动化学院韩军伟教授、赵世杰副研究员团队共同合作完成。

   白质通路是不同脑区之间形成远程连接的结构基础。大量跨越两个大脑半球的白质通路构成了复杂的网络结构，也是形成大脑功能连接网络的基础。作为胎盘哺乳动物中最大的白质束，胼胝体连接了两个半球的皮层区域，对半球间的沟通至关重要。协调两个半球之间的神经活动对于正常脑功能和行为至关重要，其紊乱与多种脑功能障碍相关。因此，揭示半球间连接的组织以及它们的结构-功能关系对于理解正常脑功能和各种疾病至关重要。

    之前已有广泛的研究揭示半球间同源（Homotopic）脑区之间的连接的解剖特征和功能。然而对于大量的异源（Heterotopic）脑区间连接的结构和功能还知之甚少。然而，由于传统连接数据分辨率不足，难以描述皮层区域、分层和细胞特异性的连接模式，这限制了对异源投射的结构和功能的了解。

    研究团队首先利用公开的Allen bulk示踪数据和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的小鼠前额叶单神元示踪数据(Gao, et al, 2022), 深入探索了小鼠在群体水平和单细胞水平下特定区域、特定layer、特定细胞的跨半脑结构连接模式。研究结果表明，与群体水平相比，单神经元数据揭示了更复杂且密集的连接模式。具体来说，单神经元数据确定了更多的皮层区域之间的连接。此外，相比群体水平得到的两种双侧投射模式，单神经元数据确定了五种双侧投射模式，从而揭示了结构连接的复杂性。这种连接模式在不同layer中也表现出一致性。

   借助单神经元尺度的分辨率，本研究定义了投射的“异质性（Heterogeneity）”。研究者从实验数据中计算了下游脑区是一对同源脑区，以及下游脑区是多个非同源脑区这两种情况异质性水平，发现对不同同源脑区的投射表现出非常不同的异质性，而到对侧半脑的投射表现出比同侧半脑投射更强的异质性。为了理解这一结构性质如何影响大脑活动的动力学特征，本研究进一步进行了多脑区神经元网络的动力学模拟，结果表明到一对同源脑区的投射的异质性是决定这对同源脑区的神经活动同步性的主要因素，其效果远强于同源脑区之间的直接相互投射对神经活动同步的影响。另一方面，模拟结果显示对多个非同源脑区投射的异质性更强会使得脑区之间同步的强度下降，而可变性（Variability）也下降，从而预测了同侧半球脑区之间的同步会有更高的强度以及更高的可变性。

    最后，研究者采集了小鼠背侧皮层的宽场钙成像（wide-field calcium imaging）数据，对脑区之间神经活动同步的分析结果很好地吻合了模型预测，即半球间的异源投射表现出功能连接强度较低但条件稳定性较高的特点，从而验证了异质性这一神经网络的结构属性对于神经活动存在重要影响。

    西北工业大学自动化学院博士研究生费瑶和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士研究生吴启航共同为该论文的第一作者，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘赐融研究员和西北工业大学自动化学院韩军伟教授、赵世杰副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究获得科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市和临港实验室的资助。