蝙蝠和一些海洋哺乳動物（如海豚）能發出并“聽懂”超聲波，靠回聲來導航和捕獵，這種能力叫回聲定位。但大多數哺乳動物，包括人類和小鼠，雖然不能主動發出超聲波，卻仍能感知某些高頻超聲信號比如幼鼠會用超聲波呼喚母鼠，成年鼠在危險時也會發出超聲警報。

基于此，廣州醫科大學－中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院聯合生命科學學院/廣州實驗室董驥、廣州實驗室尚從平、北京師范大學王曉群、廣東省科學院動物研究所張禮標團隊在《nature genetics》雜志發表了“Complexin-1 enhances ultrasound neurotransmission in the mammalian auditory pathway”揭示了Complexin-1增強哺乳動物聽覺通路中的超聲波神經傳遞。

與依賴視覺的大蝙蝠不同，小蝙蝠依靠超聲波回聲定位來導航和捕食。為探究其超聲感知的神經基礎，作者構建了四種蝙蝠的參考基因組和聽覺皮層單細胞核圖譜并對比小蝙蝠與大蝙蝠的神經特征。研究發現，（PV+）陽性神經元在小蝙蝠中對超聲波信號具有特異性反應，而在小鼠中沉默這類神經元會顯著削弱其超聲波感知能力。進一步分析顯示，大蝙蝠的PV+神經元僅低水平表達突觸結合蛋白CPLX1–CPLX4（調控神經遞質釋放的關鍵因子），而小蝙蝠則高表達CPLX1，從而提升突觸傳遞效率。在小鼠PV+神經元中敲低Cplx1同樣會損害超聲波感知。更值得注意的是，CPLX1不僅在小蝙蝠聽覺通路多個節點高表達，在具備回聲定位能力的鯨類中也呈現相似模式，表明其在進化上存在趨同適應。該研究揭示：CPLX1在整個聽覺通路中的高表達可增強哺乳動物對超聲波的神經傳遞效率，是回聲定位能力演化的重要分子基礎。

圖一 小蝙蝠和大蝙蝠的參考質量基因組及聽覺皮層圖譜

為精準分析蝙蝠聽覺皮層的基因表達，作者首先構建了兩種大蝙蝠的高質量參考基因組（小蝙蝠的基因組來自前期研究）。他們從成年雄性蝙蝠肌肉中提取DNA，結合Oxford Nanopore長讀長測序進行從頭組裝并用Illumina短讀長數據校正，再通過Hi-C技術將序列掛載到染色體水平。同時，利用13種組織的轉錄組數據對基因組進行注釋，最終獲得支架N50 > 110 Mb、蛋白編碼基因超2萬個、完整性達99.8% 的高質量基因組。

隨后，作者對四個蝙蝠物種共8只成年雄性（每種2只）的左右聽覺皮層分別進行10x Genomics單細胞核RNA測序，經質控后獲得116,173個高質量細胞核。通過Harmony校正批次效應并用Seurat聚類，鑒定出8類細胞：興奮性和抑制性神經元、少突膠質細胞及其前體、星形膠質細胞、內皮細胞、小膠質細胞和室管膜細胞，所有細胞類型在四物種中比例相似且左右半球無顯著差異。這為后續比較超聲感知的分子機制奠定了堅實基礎。

圖二 PV陽性抑制性神經元在超聲波感知中的重要作用

與蝙蝠類似，小鼠聽覺皮層的小清蛋白陽性（PV?）抑制性神經元也可分為兩個亞群：突觸結合蛋白2陽性（SYT2?）和磷酸二酯酶3A陽性（PDE3A?），其中SYT2?占絕大多數（>95%）。盡管小鼠的PDE3A?神經元表達Vipr2而蝙蝠中不表達，為保持跨物種一致性，作者仍以PDE3A作為該亞群的標記。

單細胞分析顯示，小鼠與蝙蝠的這兩類抑制性神經元在基因表達上高度保守。基于此，作者利用小鼠模型開展功能驗證。

通過在PV-ires-Cre或Sst-ires-Cre小鼠聽覺皮層注射病毒，使GCaMP6特異性表達于PV?或生長抑素陽性（SST?）神經元并用光纖記錄清醒小鼠的鈣信號。結果發現：

16 kHz可聽聲能激活兩類神經元；

63 kHz超聲波僅引起PV?神經元顯著反應，SST?神經元無響應。

進一步區分PV?內部亞群時，因缺乏特異性Cre小鼠，作者改用Syt2和Pde3a啟動子驅動GCaMP7。結果顯示：超聲波僅激活SYT2?亞群，PDE3A?亞群無反應，表明SYT2?神經元是超聲感知的關鍵群體。

為驗證其功能必要性，作者在PV-ires-Cre小鼠聽覺皮層表達破傷風毒素（阻斷神經遞質釋放），特異性抑制PV?神經元活性并以SST?抑制小鼠為對照。在超聲波關聯恐懼實驗（）中（63 kHz聲音與足底電擊配對），次日測試時，PV?失活小鼠對超聲波的僵直反應顯著減少，而對照組正常。

綜上，小鼠聽覺皮層中的PV陽性抑制性神經元，尤其是SYT2?亞群對超聲波感知至關重要，其功能缺失會直接損害超聲信號的識別與行為響應。

圖三 小鼠聽覺皮層中Cplx1干擾會損害超聲波感知

為驗證CPLX1在超聲波感知中的作用，作者在小鼠聽覺皮層注射靶向Cplx1的shRNA腺相關病毒，實現高效敲低。

行為學結果顯示，Cplx1敲低小鼠對16 kHz可聽聲的僵直反應正常，但對63 kHz超聲波的恐懼記憶顯著減弱，表明Cplx1特異性參與超聲感知而非一般聽覺功能，該結果經免疫熒光驗證。

為排除脫靶效應，作者通過兩種功能回補策略，共注射挽救載體或分階段先敲低后回補均成功恢復了超聲波感知，并通過RNA測序確認了基因操作的有效性。考慮到Cplx1雖在PV?抑制性神經元中高表達，但并非其特有，作者進一步構建了PV?神經元特異性的敲低和敲除模型，流式分選和qPCR證實敲低效率達約50%。在這兩類特異性干預小鼠中，超聲波誘導的僵直行為同樣顯著降低。綜上，PV?陽性抑制性神經元中的Cplx1是小鼠聽覺皮層介導超聲波感知的關鍵分子。

總結

綜上，本研究通過構建高質量蝙蝠基因組與聽覺皮層圖譜，發現小清蛋白陽性抑制性神經元中的SYT2?亞群和CPLX1對超聲波感知至關重要；CPLX1不僅在小蝙蝠整個聽覺通路高表達，還在回聲定位的小蝙蝠與齒鯨中呈現趨同進化，為理解哺乳動物超聲感知及其進化適應提供了重要見解。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41588-024-01781-z

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