Published May 20, 2022 | Version v1
Publication Open

Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography

  • 1. Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology
  • 2. Chinese Academy of Sciences
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences
  • 4. Shanghai Center for Brain Science and Brain-Inspired Technology
  • 5. Fudan University
  • 6. McGovern Institute for Brain Research
  • 7. Peking University
  • 8. Center for Life Sciences
  • 9. Zhejiang University of Technology
  • 10. Shenzhen Institutes of Advanced Technology

Description

Resolving trajectories of axonal pathways in the primate prefrontal cortex remains crucial to gain insights into higher-order processes of cognition and emotion, which requires a comprehensive map of axonal projections linking demarcated subdivisions of prefrontal cortex and the rest of brain. Here, we report a mesoscale excitatory projectome issued from the ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) to the entire macaque brain by using viral-based genetic axonal tracing in tandem with high-throughput serial two-photon tomography, which demonstrated prominent monosynaptic projections to other prefrontal areas, temporal, limbic, and subcortical areas, relatively weak projections to parietal and insular regions but no projections directly to the occipital lobe. In a common 3D space, we quantitatively validated an atlas of diffusion tractography-derived vlPFC connections with correlative green fluorescent protein-labeled axonal tracing, and observed generally good agreement except a major difference in the posterior projections of inferior fronto-occipital fasciculus. These findings raise an intriguing question as to how neural information passes along long-range association fiber bundles in macaque brains, and call for the caution of using diffusion tractography to map the wiring diagram of brain circuits.In the brain is a web of interconnected nerve cells that send messages to one another via spindly projections called axons. These axons join together at junctions called synapses to create circuits of nerve cells which connect neighboring or distant brain regions. Notably, long-range neural connections underpin higher-order cognitive skills (such as planning and emotion regulation) which make humans distinct from our primate relatives. Only by untangling these far-reaching networks can researchers begin to delineate what sets the human brain apart from other species. Researchers deploy a range of imaging techniques to map neural networks: scanning entire brains using MRI machines, or imaging thin slices of fluorescently labelled brain tissue using powerful microscopes. However, tracing long-range axons at a high resolution is challenging, and has stirred up debate about whether some neural tracts, such as the inferior fronto-occipital fasciculus, are present in all primates or only humans. To address these discrepancies, Yan, Yu et al. employed a two-pronged approach to map neural circuits in the brains of macaques. First, two techniques – called viral tracing and two-photon microscopy – were used to create a three-dimensional, fine-grain map showing how the ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC), which regulates complex behaviors, connects to the rest of the brain. This revealed prominent axons from the vlPFC projecting via a single synapse to distant brain regions involved in higher-order functions, such as encoding memories and processing emotion. However, there were no direct, monosynaptic connections between the vlPFC and the occipital lobe, the brain's visual processing center at the back of the head. Next, Yan, Yu et al. used a specialized MRI scanner to create an atlas of neural circuits connected to the vlPFC, and compared these results to a technique tracing axons stained with a fluorescent dye. In general, there was good agreement between the two methods, except for major differences in the rear-end projections that typically form the inferior fronto-occipital fasciculus. This suggests that this long-range neural pathway exists in monkeys, but it connects via multiple synapses instead of a single junction as was previously thought. The findings of Yan, Yu et al. provide new insights on the far-reaching neural pathways connecting distant parts of the macaque brain. It also suggests that atlases of neural circuits from whole brain scans should be taken with caution and validated using neural tracing experiments.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لا يزال حل مسارات المسارات المحورية في قشرة الفص الجبهي للرئيسيات أمرًا بالغ الأهمية لاكتساب رؤى حول العمليات العليا للإدراك والعاطفة، والتي تتطلب خريطة شاملة للإسقاطات المحورية التي تربط التقسيمات الفرعية المحددة لقشرة الفص الجبهي وبقية الدماغ. هنا، نبلغ عن بروز استثاري متوسط الحجم صادر من قشرة الفص الجبهي البطني الوحشي (vlPFC) إلى دماغ المكاك بأكمله باستخدام التتبع المحوري الوراثي القائم على الفيروس جنبًا إلى جنب مع التصوير المقطعي ثنائي الفوتون المتسلسل عالي الإنتاجية، والذي أظهر إسقاطات أحادية مشبكية بارزة لمناطق الفص الجبهي الأخرى، والمناطق الصدغية والحوفية وتحت القشرية، وإسقاطات ضعيفة نسبيًا للمناطق الجدارية والجزيرية ولكن لا توجد إسقاطات مباشرة إلى الفص القذالي. في مساحة مشتركة ثلاثية الأبعاد، تحققنا كميًا من صحة أطلس لروابط vlPFC المشتقة من تصوير المجاري الهوائية الانتشاري مع التتبع المحوري الأخضر المرتبط بالبروتين المسمى بالفلورسنت، ولاحظنا اتفاقًا جيدًا بشكل عام باستثناء اختلاف كبير في الإسقاطات الخلفية للحزمة الأمامية القذالية السفلية. تثير هذه النتائج سؤالًا مثيرًا للاهتمام حول كيفية مرور المعلومات العصبية عبر حزم ألياف الارتباط طويلة المدى في أدمغة المكاك، وتدعو إلى الحذر من استخدام تخطيط مجرى الهواء المنتشر لرسم مخطط الأسلاك لدوائر الدماغ. في الدماغ عبارة عن شبكة من الخلايا العصبية المترابطة التي ترسل رسائل إلى بعضها البعض عبر إسقاطات ضعيفة تسمى المحاور. تنضم هذه المحاور معًا عند تقاطعات تسمى المشابك العصبية لإنشاء دوائر من الخلايا العصبية التي تربط مناطق الدماغ المجاورة أو البعيدة. ومن الجدير بالذكر أن الروابط العصبية طويلة المدى تدعم المهارات المعرفية العليا (مثل التخطيط وتنظيم العواطف) التي تجعل البشر متميزين عن أقاربنا من الرئيسيات. فقط من خلال فك تشابك هذه الشبكات البعيدة المدى، يمكن للباحثين البدء في تحديد ما يميز الدماغ البشري عن الأنواع الأخرى. ينشر الباحثون مجموعة من تقنيات التصوير لرسم خرائط للشبكات العصبية: مسح أدمغة بأكملها باستخدام آلات التصوير بالرنين المغناطيسي، أو تصوير شرائح رقيقة من أنسجة الدماغ الموسومة بالفلورسنت باستخدام مجاهر قوية. ومع ذلك، فإن تتبع المحاور طويلة المدى بدقة عالية يمثل تحديًا، وقد أثار جدلًا حول ما إذا كانت بعض المسالك العصبية، مثل الحزمة الجبهية القذالية السفلية، موجودة في جميع الرئيسيات أو البشر فقط. لمعالجة هذه التناقضات، استخدم يان ويو وآخرون نهجًا ذا شقين لرسم خرائط للدوائر العصبية في أدمغة قرود المكاك. أولاً، تم استخدام تقنيتين – تسمى التتبع الفيروسي والفحص المجهري ثنائي الفوتون – لإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد ودقيقة الحبيبات توضح كيفية اتصال قشرة الفص الجبهي البطني الجانبي (vlPFC)، التي تنظم السلوكيات المعقدة، ببقية الدماغ. كشف هذا عن محاور بارزة من vlPFC تسقط عبر مشبك واحد إلى مناطق الدماغ البعيدة المشاركة في الوظائف العليا، مثل ترميز الذكريات ومعالجة العاطفة. ومع ذلك، لم تكن هناك روابط مباشرة أحادية المشبك بين vlPFC والفص القذالي، وهو مركز المعالجة البصرية للدماغ في الجزء الخلفي من الرأس. بعد ذلك، استخدم يان ويو وآخرون ماسحًا ضوئيًا متخصصًا للتصوير بالرنين المغناطيسي لإنشاء أطلس للدوائر العصبية المتصلة بـ vlPFC، وقارنوا هذه النتائج بمحاور تتبع تقنية ملطخة بصبغة الفلورسنت. بشكل عام، كان هناك اتفاق جيد بين الطريقتين، باستثناء الاختلافات الرئيسية في الإسقاطات الخلفية التي تشكل عادة الحزمة الأمامية القذالية السفلية. يشير هذا إلى أن هذا المسار العصبي بعيد المدى موجود في القرود، لكنه يتصل عبر مشابك متعددة بدلاً من تقاطع واحد كما كان يُعتقد سابقًا. تقدم نتائج يان ويو وآخرون رؤى جديدة حول المسارات العصبية البعيدة المدى التي تربط الأجزاء البعيدة من دماغ المكاك. كما يشير إلى أنه يجب أخذ أطالس الدوائر العصبية من فحوصات الدماغ بأكملها بحذر والتحقق من صحتها باستخدام تجارب التتبع العصبي.

Translated Description (French)

La résolution des trajectoires des voies axonales dans le cortex préfrontal des primates reste cruciale pour mieux comprendre les processus cognitifs et émotionnels d'ordre supérieur, ce qui nécessite une carte complète des projections axonales reliant les subdivisions délimitées du cortex préfrontal et le reste du cerveau. Ici, nous rapportons un projectome excitateur à méso-échelle délivré du cortex préfrontal ventrolatéral (vlPFC) à l'ensemble du cerveau du macaque en utilisant un traçage axonal génétique à base virale en tandem avec une tomographie à deux photons en série à haut débit, qui a démontré des projections monosynaptiques proéminentes vers d'autres zones préfrontales, temporelles, limbiques et sous-corticales, des projections relativement faibles vers les régions pariétales et insulaires mais aucune projection directement vers le lobe occipital. Dans un espace 3D commun, nous avons validé quantitativement un atlas des connexions vlPFC dérivées de la tractographie de diffusion avec un tracé axonal marqué par une protéine fluorescente verte corrélative, et observé une bonne concordance générale, à l'exception d'une différence majeure dans les projections postérieures du fascicule fronto-occipital inférieur. Ces résultats soulèvent une question intrigante quant à la façon dont l'information neuronale passe le long des faisceaux de fibres d'association à longue distance dans le cerveau des macaques, et appellent à la prudence d'utiliser la tractographie de diffusion pour cartographier le schéma de câblage des circuits cérébraux. Dans le cerveau se trouve un réseau de cellules nerveuses interconnectées qui s'envoient des messages via des projections minces appelées axones. Ces axones se rejoignent au niveau de jonctions appelées synapses pour créer des circuits de cellules nerveuses qui relient les régions cérébrales voisines ou éloignées. Notamment, les connexions neuronales à long terme sous-tendent les compétences cognitives d'ordre supérieur (telles que la planification et la régulation des émotions) qui distinguent les humains de nos parents primates. Ce n'est qu'en démêlant ces réseaux de grande envergure que les chercheurs peuvent commencer à définir ce qui distingue le cerveau humain des autres espèces. Les chercheurs déploient une gamme de techniques d'imagerie pour cartographier les réseaux neuronaux : numérisation de cerveaux entiers à l'aide de machines d'IRM ou imagerie de fines tranches de tissu cérébral marqué par fluorescence à l'aide de microscopes puissants. Cependant, tracer des axones à longue portée à haute résolution est difficile et a suscité un débat sur la question de savoir si certains tractus neuronaux, tels que le fascicule fronto-occipital inférieur, sont présents chez tous les primates ou seulement chez les humains. Pour remédier à ces divergences, Yan, Yu et al. ont utilisé une approche à deux volets pour cartographier les circuits neuronaux dans le cerveau des macaques. Tout d'abord, deux techniques – appelées traçage viral et microscopie à deux photons – ont été utilisées pour créer une carte tridimensionnelle à grain fin montrant comment le cortex préfrontal ventrolatéral (vlPFC), qui régule les comportements complexes, se connecte au reste du cerveau. Cela a révélé des axones proéminents du vlPFC se projetant via une seule synapse vers des régions cérébrales éloignées impliquées dans des fonctions d'ordre supérieur, telles que l'encodage des souvenirs et le traitement des émotions. Cependant, il n'y avait pas de connexions directes et monosynaptiques entre le vlPFC et le lobe occipital, le centre de traitement visuel du cerveau à l'arrière de la tête. Ensuite, Yan, Yu et al. ont utilisé un scanner IRM spécialisé pour créer un atlas des circuits neuronaux connectés au vlPFC, et ont comparé ces résultats à une technique de traçage des axones colorés avec un colorant fluorescent. En général, il y avait un bon accord entre les deux méthodes, à l'exception des différences majeures dans les projections arrière qui forment généralement le fascicule fronto-occipital inférieur. Cela suggère que cette voie neuronale à longue portée existe chez le singe, mais qu'elle se connecte via plusieurs synapses au lieu d'une seule jonction comme on le pensait auparavant. Les résultats de Yan, Yu et al. fournissent de nouvelles informations sur les voies neuronales de grande portée reliant des parties éloignées du cerveau du macaque. Il suggère également que les atlas des circuits neuronaux provenant de scanners cérébraux complets doivent être pris avec prudence et validés à l'aide d'expériences de traçage neuronal.

Translated Description (Spanish)

La resolución de las trayectorias de las vías axonales en la corteza prefrontal de los primates sigue siendo crucial para obtener información sobre los procesos cognitivos y emocionales de orden superior, lo que requiere un mapa exhaustivo de proyecciones axonales que vinculen las subdivisiones demarcadas de la corteza prefrontal y el resto del cerebro. Aquí, informamos un proyectoma excitador a mesoescala emitido desde la corteza prefrontal ventrolateral (vlPFC) a todo el cerebro del macaco mediante el uso de trazado axonal genético basado en virus en tándem con tomografía de dos fotones en serie de alto rendimiento, que demostró proyecciones monosinápticas prominentes a otras áreas prefrontales, temporales, límbicas y subcorticales, proyecciones relativamente débiles a regiones parietales e insulares, pero sin proyecciones directamente al lóbulo occipital. En un espacio 3D común, validamos cuantitativamente un atlas de conexiones de vlPFC derivadas de la tractografía de difusión con trazado axonal correlativo marcado con proteína fluorescente verde, y observamos un acuerdo generalmente bueno, excepto una diferencia importante en las proyecciones posteriores del fascículo frontooccipital inferior. Estos hallazgos plantean una pregunta intrigante sobre cómo la información neuronal pasa a lo largo de los haces de fibras de asociación de largo alcance en los cerebros de macacos, y requieren la precaución de usar la tractografía de difusión para mapear el diagrama de cableado de los circuitos cerebrales. En el cerebro hay una red de células nerviosas interconectadas que se envían mensajes entre sí a través de proyecciones delgadas llamadas axones. Estos axones se unen en uniones llamadas sinapsis para crear circuitos de células nerviosas que conectan regiones cerebrales vecinas o distantes. En particular, las conexiones neuronales de largo alcance sustentan las habilidades cognitivas de orden superior (como la planificación y la regulación emocional) que distinguen a los humanos de nuestros parientes primates. Solo al desenredar estas redes de gran alcance, los investigadores pueden comenzar a delinear lo que distingue al cerebro humano de otras especies. Los investigadores despliegan una gama de técnicas de imagen para mapear redes neuronales: escaneo de cerebros enteros utilizando máquinas de resonancia magnética, o imágenes de finas rebanadas de tejido cerebral etiquetado con fluorescencia utilizando potentes microscopios. Sin embargo, el rastreo de axones de largo alcance a alta resolución es un desafío y ha provocado un debate sobre si algunos tractos neuronales, como el fascículo frontooccipital inferior, están presentes en todos los primates o solo en los humanos. Para abordar estas discrepancias, Yan, Yu et al. emplearon un enfoque doble para mapear los circuitos neuronales en los cerebros de los macacos. En primer lugar, se utilizaron dos técnicas, llamadas rastreo viral y microscopía de dos fotones, para crear un mapa tridimensional de grano fino que muestra cómo la corteza prefrontal ventrolateral (vlPFC), que regula los comportamientos complejos, se conecta con el resto del cerebro. Esto reveló axones prominentes de la vlPFC que se proyectan a través de una sola sinapsis a regiones cerebrales distantes involucradas en funciones de orden superior, como la codificación de recuerdos y el procesamiento de emociones. Sin embargo, no hubo conexiones monosinápticas directas entre el vlPFC y el lóbulo occipital, el centro de procesamiento visual del cerebro en la parte posterior de la cabeza. A continuación, Yan, Yu et al. utilizaron un escáner de resonancia magnética especializado para crear un atlas de circuitos neuronales conectados a la vlPFC, y compararon estos resultados con una técnica de rastreo de axones teñidos con un tinte fluorescente. En general, hubo un buen acuerdo entre los dos métodos, excepto por las grandes diferencias en las proyecciones traseras que típicamente forman el fascículo fronto-occipital inferior. Esto sugiere que esta vía neuronal de largo alcance existe en los monos, pero se conecta a través de múltiples sinapsis en lugar de una sola unión como se pensaba anteriormente. Los hallazgos de Yan, Yu et al. proporcionan nuevos conocimientos sobre las vías neuronales de gran alcance que conectan partes distantes del cerebro de los macacos. También sugiere que los atlas de circuitos neuronales de escáneres cerebrales completos deben tomarse con precaución y validarse mediante experimentos de rastreo neuronal.

Files

2021.09.13.460040.full.pdf.pdf

Files (29.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d17222a551ce206a93e184384dcd630f
29.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
رسم خريطة للعرض الاستثاري على مستوى الدماغ لقشرة الفص الجبهي للرئيسيات بدقة تحت الميكرون ومقارنتها بتصوير المجرى الهضمي المنتشر
Translated title (French)
Cartographie du projectome excitateur cérébral du cortex préfrontal des primates à une résolution submicronique et comparaison avec la tractographie de diffusion
Translated title (Spanish)
Mapeo del proyectoma excitatorio de todo el cerebro de la corteza prefrontal de primates a una resolución submicrométrica y comparación con la tractografía de difusión

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4280616564
DOI
10.7554/elife.72534

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1024451551
  • https://openalex.org/W1878810790
  • https://openalex.org/W1925906180
  • https://openalex.org/W1939589473
  • https://openalex.org/W1963592292
  • https://openalex.org/W1964049834
  • https://openalex.org/W1964802316
  • https://openalex.org/W1966752480
  • https://openalex.org/W1970839656
  • https://openalex.org/W1975389666
  • https://openalex.org/W1978053752
  • https://openalex.org/W1987202085
  • https://openalex.org/W1987869189
  • https://openalex.org/W1988975078
  • https://openalex.org/W1991568270
  • https://openalex.org/W1996167719
  • https://openalex.org/W1996303847
  • https://openalex.org/W2000133863
  • https://openalex.org/W2009534332
  • https://openalex.org/W2009761723
  • https://openalex.org/W2014292780
  • https://openalex.org/W2016277672
  • https://openalex.org/W2017687738
  • https://openalex.org/W2017924235
  • https://openalex.org/W2028870825
  • https://openalex.org/W2035246484
  • https://openalex.org/W2044405976
  • https://openalex.org/W2045078412
  • https://openalex.org/W2050491891
  • https://openalex.org/W2054870083
  • https://openalex.org/W2059429138
  • https://openalex.org/W2067990176
  • https://openalex.org/W2070464891
  • https://openalex.org/W2076973820
  • https://openalex.org/W2082655966
  • https://openalex.org/W2086673596
  • https://openalex.org/W2101608218
  • https://openalex.org/W2110798659
  • https://openalex.org/W2112151839
  • https://openalex.org/W2112185786
  • https://openalex.org/W2115133411
  • https://openalex.org/W2116818517
  • https://openalex.org/W2118978888
  • https://openalex.org/W2127309075
  • https://openalex.org/W2131752914
  • https://openalex.org/W2142931759
  • https://openalex.org/W2146264551
  • https://openalex.org/W2148726987
  • https://openalex.org/W2149092213
  • https://openalex.org/W2156295356
  • https://openalex.org/W2165020904
  • https://openalex.org/W2169239134
  • https://openalex.org/W2172297581
  • https://openalex.org/W2279851379
  • https://openalex.org/W2286713931
  • https://openalex.org/W2333084155
  • https://openalex.org/W2401804202
  • https://openalex.org/W2463784123
  • https://openalex.org/W2507387536
  • https://openalex.org/W2514222651
  • https://openalex.org/W2516707948
  • https://openalex.org/W2558788280
  • https://openalex.org/W2563000655
  • https://openalex.org/W2587950606
  • https://openalex.org/W2601810315
  • https://openalex.org/W2617885424
  • https://openalex.org/W2639321754
  • https://openalex.org/W2765507708
  • https://openalex.org/W2766639217
  • https://openalex.org/W2784825428
  • https://openalex.org/W2800617744
  • https://openalex.org/W2801454635
  • https://openalex.org/W2809642647
  • https://openalex.org/W2895709954
  • https://openalex.org/W2902857081
  • https://openalex.org/W2907641701
  • https://openalex.org/W2921226609
  • https://openalex.org/W2922076169
  • https://openalex.org/W2949586770
  • https://openalex.org/W2977019589
  • https://openalex.org/W2977360487
  • https://openalex.org/W2988431912
  • https://openalex.org/W2991597154
  • https://openalex.org/W3007736625
  • https://openalex.org/W3015297113
  • https://openalex.org/W3031723191
  • https://openalex.org/W3035139590
  • https://openalex.org/W3046367338
  • https://openalex.org/W3080178531
  • https://openalex.org/W3087121455
  • https://openalex.org/W4233041262
  • https://openalex.org/W4254420267
  • https://openalex.org/W566431764