PNAS︱我們如何感知重力？孫碩豪團隊繪制前庭神經節細胞類型空間圖譜并揭示重力感知神經基礎

前庭系統通過內耳五個終末器官（三個半規管和兩個耳石器官）感知頭部運動與空間方位，經前庭神經節神經元（vestibular ganglion neurons，VGNs）將信號傳向中樞神經系統，驅動前庭-眼反射、姿勢調節及生理代謝反應。全球約15%的成年人受平衡障礙困擾，80歲以上人群中這一比例超過80%。然而，與其他感覺系統相比，科學界對VGNs的分子異質性及其在不同前庭功能中的分工一直缺乏系統性研究。

VGNs在形態和生理上表現出高度多樣性，其自發放電規律性各異，在毛細胞上形成的突觸末梢從包裹式花萼狀結構到紐扣狀再到兩者混合型不一而足，這些特征強烈暗示VGNs由多個功能特化的細胞類型構成。近年來，單細胞轉錄組與空間組學技術為解析外周感覺神經元異質性提供了有力工具，在其他感覺系統中已取得重要突破，但VGNs的分子圖譜始終處于空白狀態。

近日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院孫碩豪實驗室在Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）發表了題為Morphological and Functional Diversity of Spatially Resolved Vestibular Ganglion Neuron Cell Types的研究論文。該研究利用單細胞與空間轉錄組技術，在分子標記、空間分布和支配模式三個維度上定義了五類VGN細胞類型（Type A–E），并為每一類構建了特異性遺傳標記工具小鼠，最終使用該遺傳工具進行系統性的外周與中樞示蹤，并繪制了VGN細胞類型在外周器官和中樞腦區的選擇性支配圖譜。通過細胞類型特異性消融實驗，研究團隊還解析了重力感知等關鍵前庭功能的外周神經基礎。

為了解析VGNs的分子異質性，研究人員利用10x Genomics平臺對P28–30小鼠的前庭神經節進行了單細胞RNA測序，并獲得了高質量VGN的單細胞轉錄組。通過降維與聚類分析，研究團隊解析出五類VGN細胞群體，命名為Type A至Type E。結果顯示，每一類VGN均擁有獨特的分子表達譜：Type A表達Lypd1和Vip（占24.2%）；Type B以F2r和Vat1l的高表達為特征（20.9%）；Type C表達Fxyd7和Ddc（19.8%）；Type D表達Slc17a7和Calb1（19.7%）；Type E則以Pcdh17和Nkain3的高表達為特征（15.4%）。為進一步驗證這些分子標記的可靠性，研究團隊采用RNAscope原位雜交技術進一步確認了各類標記的表達，為五類VGN的身份提供了直接證據。此外，研究還發現已知與花萼狀突觸和中心區/微紋區支配相關的鈣結合蛋白Calb1和Calb2均在Type D中選擇性表達，提示Type D可能對應于支配前庭器官中心區/微紋區的VGN群體，這一推論為后續的外周示蹤實驗提供了線索。

為探究各類VGN在前庭神經節內部的空間分布模式，研究人員使用10x Visium HD空間轉錄組技術，在組織原位解析各類細胞的空間坐標。最終發現，五類VGN并非隨機分布，而是呈現出高度組織化的空間拓撲結構：Type A集中分布于上下分部交界處，Type B和Type C偏好分布于上分部，Type D橫跨兩個分部但遠離中心，Type E分布范圍較廣且中心密度最高。進一步在毛細胞機械電轉導功能缺失的Tmie基因敲除小鼠中重復上述分析，發現Type D由跨分部均勻分布轉變為向下分部偏移，Type B由上分部偏好變為在上下分部間均勻分布，Type E的分布中心也由交界處向上分部遷移。上述結論表明，前庭外周感覺輸入在神經節發育過程中影響了不同VGN類型在組織中的空間定位，

打破了外周感覺神經節神經元隨機分布的傳統觀念。

為了將VGN的分子分型與解剖連接結構對應起來，研究人員為五類VGN分別構建了CreERT2基因敲入小鼠品系，結合AAV熒光示蹤技術和組織透明化技術，系統描繪了它們的外周支配與中樞投射模式。外周支配結果顯示，不同VGN細胞類型在器官選擇和區域靶向上表現出高度特化：Type A和Type E均選擇性支配耳石器官的紋外區；Type C則特異性支配三個半規管的外周區；Type D則覆蓋所有五個器官的中心區/微紋區。突觸形態也隨細胞類型而異：Type C主要形成紐扣狀突觸，Type A和B形成混合型末梢，Type D則與花萼狀突觸相關。中樞投射分析進一步揭示了兩種并行的信息處理通道：耳石輸入型（Type A、E）和中心區輸入型（Type D）密集投射至下前庭核和Y核，同時耳石輸入型VGN偏好支配小腦蚓垂；半規管輸入型（Type C）以及Type B則偏好投射至內側前庭核小細胞部，并對小腦小結和蚓垂均有支配。這種"輸入-輸出"的精準對應關系表明，前庭信息在VGN層面即已按照感覺模態和功能需求進行了初步分流。

為了直接驗證Type A VGNs在重力感知中的功能角色，研究人員利用Lypd1-DTR小鼠對Type A神經元進行了選擇性白喉毒素消融。結果顯示，在精細運動測試中小鼠出現了明顯的選擇性缺陷：小鼠平衡木穿越時間明顯延長，且在較窄的平衡木上更容易腳滑。在前庭-眼反射層面，由半規管輸入驅動的角前庭-眼反射（aVOR）未受影響，而反映耳石輸入驅動的線性前庭-眼反射的穩態反應（OVAR）幅度則顯著降低。最為關鍵的是，在2g超重環境下，野生型小鼠血糖水平升高的重力應激反應在Type A消融小鼠中被完全消除。這些結果在細胞類型層面證明，Type A VGNs是重力感知和耳石依賴性前庭反射的關鍵信號傳遞者。

綜上所述，該研究整合了單細胞轉錄組、空間轉錄組、遺傳示蹤、組織透明化和功能消融等技術手段，從分子特征、空間拓撲、連接圖譜和行為功能四個層面構建了VGN細胞類型的系統性研究框架。五類VGN的發現揭示了前庭神經節并非傳統認知中神經元隨機排列的集合體，而是一個具有精密空間結構的功能組織，同時也為眩暈等前庭相關疾病的精準診療帶來了新的契機。Type A VGNs在重力感應中的關鍵作用的闡明，揭示了前庭系統模態特異性信息處理的分工機制，也為理解航天微重力環境下骨密度流失等問題的神經機制提供了新的潛在靶點。

北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院博士生劉瑞琪、北京大學-清華大學-北京生命科學研究所聯合培養項目博士生劉晶越和陳芝羽為共同第一作者。其他作者包括劉志勇高級研究員和孫碩豪實驗室博士生李婧瀅。美國約翰霍普金斯大學Ulrich Müller教授在課題進行中提供了寶貴意見和建議。孫碩豪研究員為論文通訊作者。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2530677123

制版人： 十一

學術合作組織

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