中枢神经系统的5-羟色胺（5-HT）系统一直是备受关注的研究领域。作为脊椎动物中高度保守的单胺类神经调质系统，5-HT神经元广泛参与情绪、认知、睡眠等多种大脑功能。然而，科学家们至今仍面临解析该系统内部异质性的难题。目前通行的分类方式，主要依据神经元在菱脑的解剖位置和发育起源，这带来了分类混杂、缺乏脑区特异性分子标记、难以与具体行为功能对应等根本局限。近年来，越来越多的线索表明，5-HT神经元功能的高度多样性可能与其错综复杂的全脑投射模式密切相关。

为此，研究团队提出全新思路：主张将神经元的投射图谱作为分类的基础框架，并整合其胞体位置、基因表达特征及在不同行为场景下的模块化功能特征，构建一个更精细、更功能化的多维度分类新范式。这一分类方式提供了新的更为全面的视角研究5-HT系统，为理解相关精神疾病机制及开发靶向疗法提供关键线索。

12月12日，同济大学医学院/附属上海市第四人民医院宋建人团队在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了题为“Integrated three single-cell atlases unveil the operation principles of whole-brain 5-HT neuronal subsystems in zebrafish”的研究成果。该研究以斑马鱼为实验模型，通过对投射、转录和功能图谱的综合分析，发现全脑内存在七个5-HT神经元亚群。每个5-HT亚群作为独立的功能模块，参与多种生理或行为过程，此外，完成特定任务需要多个平行的5-HT亚群的协调参与。该研究不仅解析了全脑5-HT神经元系统调控生理和行为状态的运行原理，也为5-HT功能障碍相关疾病的治疗策略提供了新思路。

研究者首先建立单细胞水平的全脑介观神经投射图谱并进行形态学聚类分析，将全脑5-HT神经元分为七个不同的亚群（Figure 1C, D），每个亚群都有独特的轴突投射模式及胞体空间分布（Figure 1 E）。

研究者通过建立两个独立的单细胞转录组数据库进一步探究了不同5-HT亚群分子特征的差异。基于上述分群依据，首先进行single-cell RNA-Seq单细胞转录组分析（Figure 2A, B），差异表达分析表明，每个亚群体表达一组特征基因，不同亚群间具有不同的遗传特征（Figure 2C）。随后，对全脑5-HT神经元进行10×scRNA-seq单细胞转录组分析，也可分为七个亚群（Figure 2D, E），将两个数据库鉴定的特征基因进行比对和注释，表明七个5-HT神经元亚群具有遗传异质性（Figure 2F）。 

5-HT系统可参与调控多种行为状态。研究者采用双光子功能成像结合高速摄像和行为追踪，探究了多种行为范式下5-HT系统的运行原理。以视觉运动行为为例，每个亚群具有不同的响应模式（Figure 3A, B），每个亚群中的神经元形成一个独立的5-HT子系统，并显示出模块化的组织运行模式（Figure 3C, D）。不同的行为状态需要多个并行的5-HT子系统共同协调参与。

该研究从形态学、转录组学和功能性这三大方面探究了全脑的5-HT系统，解析了其在调节各种生理和行为状态中的运行原理，揭示了哺乳动物5-HT系统的复杂性。有助于加深对5-HT系统的认识，也将扩展未来对5-HT相关疾病治疗策略的途径。

医学院宋建人教授和关娜副教授为论文共同通讯作者，医学院宋子琪博士和黄春筱助理教授为论文共同第一作者。该研究得到中国科学院神经科学研究所杜久林和何杰研究员的指导和支持，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委重大专项、上海市自然科学基金、同济大学附属上海市第四人民医院、同济大学脑与脊髓临床研究中心、同济大学医学院脑功能与人工智能转化研究所等资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adv8128