DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-026-09866-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40475401
تاريخ النشر: 2026-03-19
المؤلف: Alexandra Tsolias وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث علوم الأعصاب وعلم الأدوية العصبية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في التعديل التفاضلي للقشرة الحزامية الأمامية (ACC) والقشرة الجبهية الجانبية (LPFC) بواسطة الأسيتيل كولين، مع التركيز على التعبير ووظيفة مستقبلات الماسكارين (mAChR) وجيناتها المقابلة CHRM1-4 في دماغ الرئيسيات. باستخدام تسلسل RNA أحادي النواة وعلم الأنسجة للبروتينات المرسال في المكاك، تحدد الدراسة CHRM3 كأغنى جين mAChR في الخلايا العصبية، بينما يهيمن CHRM1 على مستوى البروتين. يُعزى هذا التباين إلى الاحتفاظ النووي لـ CHRM3 والنقل السيتوبلازمي لـ CHRM1. من الجدير بالذكر أن CHRM3 و CHRM1 يظهران تعبيرًا مشتركًا قويًا وتداخلًا وظيفيًا، مما يميزهما عن CHRM2، الذي يتركز في الخلايا العصبية المثيرة في الطبقات العميقة والخلايا المثبطة PVALB+.
تكشف التحليلات المقارنة أن CHRM3 أكثر وفرة في الخلايا العصبية المثيرة في LPFC مقارنة بتلك الموجودة في ACC. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الخلايا العصبية CHRM1-3+ توقيعات نسخية محددة حسب المنطقة، حيث تظهر خلايا ACC العصبية زيادة في جينات البلاستيكية المشبكية مقارنة بـ LPFC. تُظهر التجارب الوظيفية أن التحفيز الكولينيرجي يؤدي إلى انخفاض في النغمة المشبكية المثيرة وزيادة في النغمة المثبطة في خلايا ACC العصبية، إلى جانب تغييرات في شكل الشوكة. على العكس، في LPFC، يقلل التحفيز الكولينيرجي من سعة التيار المثبط، مما يؤدي إلى تحول نحو نغمة مثيرة أقوى. تؤكد هذه النتائج على أهمية إشارات الأسيتيل كولين المحددة حسب المنطقة في التكامل المعرفي والعاطفي، والتعلم، والذاكرة، وتقترح آثارًا محتملة لفهم اختلالات الدوائر الكيميائية العصبية في الاضطرابات النفسية العصبية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على أنسجة الدماغ من 14 قرد ريسوس بالغ (Macaca mulatta)، تتكون من 10 ذكور (أعمار 7.5-24.8 سنة) و4 إناث (أعمار 8.4-10.4 سنة)، كجزء من تحقيقات أوسع في شيخوخة الدماغ ومسارات الإدراك. تم الحصول على القرود من مراكز الرئيسيات الوطنية أو بائعين خاصين، جميعهم لديهم سجلات صحية شاملة. قبل الإدراج، خضعت كل قرد لفحوصات طبية وتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) للتأكد من عدم وجود أضرار عصبية، وتم استبعاد أولئك الذين يعانون من أمراض مزمنة أو أمراض عصبية من الدراسة.
تم إيواء القرود بشكل فردي تحت دورة ضوء/ظلام مضبوطة لمدة 12 ساعة في مركز علوم الحيوان المخبرية (LASC) في كلية الطب بجامعة بوسطن، حيث تلقت تحسينات بيئية وحافظت على الاتصال السمعي والبصري مع قرود أخرى. تم إجراء فحوصات صحية يومية بواسطة مراقبين مدربين، وتم إجراء فحوصات طبية شاملة كل ثلاثة أشهر بواسطة طبيب بيطري سريري. التزمت الدراسة بالمعايير الأخلاقية التي وضعتها المعاهد الوطنية للصحة ولجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية بجامعة بوسطن، مما يضمن الامتثال لجميع اللوائح ذات الصلة برفاهية الحيوانات.
النتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن رؤى مهمة في أنماط التعبير الخلوية المحددة لمستقبلات الأسيتيل كولين الماسكارينية (mAChR) في القشرة الحزامية الأمامية (ACC) والقشرة الجبهية الجانبية (LPFC) لدى قرود ريسوس البالغة. من خلال تسلسل RNA أحادي النواة (snRNA-seq) لـ 9,195 نواة من ACC و8,147 نواة من LPFC، حدد الباحثون سبعة أنواع رئيسية من الخلايا، مع تعبير بارز لنمط CHRM3 (m3)، الموجود في حوالي 51-55% من جميع الخلايا. بالمقابل، تم التعبير عن CHRM1 (m1) وCHRM2 (m2) في حوالي 7% و10% من الخلايا، على التوالي، بينما تم الكشف عن CHRM4 (m4) في 0.5-0.7% فقط. من الجدير بالذكر أن أكثر من 90% من الخلايا التي تعبر عن CHRM كانت خلايا عصبية، مع كون CHRM3 أكثر انتشارًا في الخلايا غير العصبية مقارنة بأنماط أخرى. كما أبرزت الدراسة أن خلايا CHRM3+ تشكل 89-91% من إجمالي الخلايا العصبية المثيرة (ExNs) و76% من الخلايا العصبية المثبطة (InNs) في كلا المنطقتين، مما يشير إلى هيمنة عصبية قوية في تعبير mAChR.
كشفت التحليلات الإضافية عن توقيعات نسخية إقليمية متميزة، حيث أظهرت ExNs في ACC زيادة في الجينات المتعلقة بإشارات الغلوتامات وتشكيل المشابك، بينما كانت ExNs في LPFC غنية في الجينات المرتبطة بإشارات مستقبلات البروتين G ومسارات الكولينيرجية. كانت أنماط التعبير لجينات mAChR متغيرة عبر مجموعات فرعية محددة حسب الطبقة من ExN، مع كون CHRM3 هو النمط الأكثر شيوعًا. من المثير للاهتمام، بينما تم التعبير عن mRNA لـ CHRM3 على نطاق واسع، لم يتوافق تعبيره البروتيني مع النتائج السابقة التي أشارت إلى m1 كالنمط السائد على مستوى البروتين. أكدت التحقق النسيجي وجود كثافة أعلى من الخلايا التي تعبر عن بروتين m1+ مقارنة بـ m3+ في كل من ACC وLPFC، مما يشير إلى آليات تنظيمية معقدة تحكم تعبير mAChR وموقعه. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على الأدوار الدقيقة لأنماط mAChR في وظيفة القشرة وآثارها المحتملة لفهم إشارات الكولينيرجية في أدمغة الرئيسيات.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الأنماط المتميزة لتعبير mAChR من نوع mRNA في الخلايا العصبية المثبطة (InNs) عبر القشرة الحزامية الأمامية (ACC) والقشرة الجبهية الجانبية (LPFC). عبر حوالي 56% من InNs عن مستقبل CHRM3 بشكل رئيسي، بينما عبرت نسبة أصغر عن عدة جينات mAChR أو لم تظهر أي تعبير. من الجدير بالذكر أن الدراسة حددت ثمانية مجموعات فرعية من InN متميزة كيميائيًا، حيث أظهرت الغالبية العظمى من هذه المجموعات فرط تعبير عن CHRM3. تم تصنيف مجموعتين رئيسيتين من InNs بناءً على أنماط التعبير المشترك، حيث تعبر مجموعة واحدة بشكل رئيسي عن CHRM2+/CHRM3+ والأخرى عن CHRM1+/CHRM3+، مما يشير إلى تفاعل معقد في تعبير المستقبلات يتوافق مع الهوية الكيميائية العصبية.
كشفت التحليلات الإضافية أن ملفات التعبير الجيني التفاضلي (DEG) كانت أكثر وضوحًا في الخلايا العصبية المثيرة (ExNs) مقارنة بـ InNs، خاصة في سياق زيادة CHRM1-3. وجدت الدراسة أن ExNs التي تعبر عن CHRM1+ وCHRM3+ تشترك في ملفات نسخية مشابهة تختلف عن الخلايا العصبية CHRM2+، مع اختلافات إقليمية كبيرة في DEGs بين ACC وLPFC. أشارت تحليلات التوصيف الوظيفي إلى أن هذه DEGs كانت مرتبطة بمسارات الإشارة الرئيسية المتعلقة بالنقل المشبكي والبلاستيكية، مما يبرز الآثار الوظيفية لتعبير mAChR في تشكيل النشاط العصبي. تشير النتائج إلى أن التعديل الكولينيرجي لخصائص المشبك يختلف بين ACC وLPFC، حيث يكشف علاج الكارباكول عن تأثير مثبط أكبر على التيارات المشبكية المثيرة في ACC، مما يبرز الأدوار المحددة حسب المنطقة لمستقبلات mAChRs في وظيفة القشرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-026-09866-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40475401
Publication Date: 2026-03-19
Author(s): Alexandra Tsolias et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neuropharmacology Research
Overview
This research investigates the differential modulation of the anterior cingulate cortex (ACC) and lateral prefrontal cortex (LPFC) by acetylcholine, focusing on the expression and function of muscarinic receptors (mAChR) and their corresponding CHRM1-4 genes in the primate brain. Utilizing single-nucleus RNA sequencing and mRNA-protein histology in macaques, the study identifies CHRM3 as the most enriched mAChR gene in neurons, while CHRM1 predominates at the protein level. This discrepancy is attributed to the nuclear retention of CHRM3 and the cytoplasmic trafficking of CHRM1. Notably, CHRM3 and CHRM1 exhibit strong co-expression and functional overlap, distinguishing them from CHRM2, which is enriched in deep layer excitatory and PVALB+ inhibitory neurons.
Comparative analysis reveals that CHRM3 is more abundant in LPFC excitatory neurons compared to those in ACC. Additionally, CHRM1-3+ neurons display region-specific transcriptomic signatures, with ACC neurons showing upregulation of synaptic plasticity genes relative to LPFC. Functional experiments demonstrate that cholinergic stimulation leads to a decrease in excitatory and an increase in inhibitory synaptic tone in ACC neurons, along with alterations in spine morphology. Conversely, in LPFC, cholinergic stimulation reduces inhibitory current amplitude, resulting in a shift towards a stronger excitatory tone. These findings underscore the importance of region-specific acetylcholine signaling in cognitive-emotional integration, learning, and memory, and suggest potential implications for understanding neurochemical circuit imbalances in neuropsychiatric disorders.
Methods
In this study, brain tissues were sourced from 14 adult rhesus monkeys (Macaca mulatta), comprising 10 males (ages 7.5-24.8 years) and 4 females (ages 8.4-10.4 years), as part of broader investigations into brain aging and cognitive pathways. The monkeys were acquired from National Primate Centers or private vendors, all of whom had comprehensive health records. Prior to inclusion, each monkey underwent medical examinations and magnetic resonance imaging (MRI) to confirm the absence of neurological damage, with those having chronic illnesses or neurological diseases excluded from the study.
The monkeys were housed individually under a controlled 12-hour light/dark cycle at the Laboratory Animal Science Center (LASC) at Boston University School of Medicine, where they received environmental enrichment and maintained auditory and visual contact with other monkeys. Daily health checks were conducted by trained observers, and comprehensive medical examinations were performed every three months by a Clinical Veterinarian. The study adhered to ethical standards set forth by the National Institutes of Health and the Boston University Institutional Animal Care and Use Committee, ensuring compliance with all relevant regulations for animal welfare.
Results
The results of this study reveal significant insights into the cell-specific expression patterns of muscarinic acetylcholine receptor (mAChR) subtypes in the anterior cingulate cortex (ACC) and lateral prefrontal cortex (LPFC) of adult rhesus monkeys. Through single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) of 9,195 nuclei from ACC and 8,147 nuclei from LPFC, the researchers identified seven major cell types, with a predominant expression of the CHRM3 (m3) subtype, found in approximately 51-55% of all cells. In contrast, CHRM1 (m1) and CHRM2 (m2) were expressed in only about 7% and 10% of cells, respectively, while CHRM4 (m4) was detected in a mere 0.5-0.7%. Notably, over 90% of CHRM-expressing cells were neurons, with CHRM3 being more prevalent in non-neuronal cells compared to other subtypes. The study also highlighted that CHRM3+ neurons constituted 89-91% of total excitatory neurons (ExNs) and 76% of inhibitory neurons (InNs) in both regions, indicating a strong neuronal dominance in mAChR expression.
Further analysis revealed distinct regional transcriptional signatures, with ACC ExNs showing enrichment in genes related to glutamatergic signaling and synapse formation, while LPFC ExNs were enriched in genes associated with G-protein-coupled receptor signaling and cholinergic pathways. The expression patterns of mAChR genes varied across layer-specific ExN subpopulations, with CHRM3 being the most commonly expressed subtype. Interestingly, while CHRM3 mRNA was widely expressed, its protein expression did not align with previous findings that indicated m1 as the predominant subtype at the protein level. Histological validation confirmed a higher density of m1+ protein-expressing cells compared to m3+ in both ACC and LPFC, suggesting complex regulatory mechanisms governing mAChR expression and localization. Overall, these findings underscore the nuanced roles of mAChR subtypes in cortical function and their potential implications for understanding cholinergic signaling in primate brains.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the distinct patterns of mAChR subtype mRNA expression in inhibitory neurons (InNs) across the anterior cingulate cortex (ACC) and lateral prefrontal cortex (LPFC). Approximately 56% of InNs predominantly expressed the CHRM3 receptor, while a smaller fraction co-expressed multiple mAChR genes or showed no expression. Notably, the study identified eight neurochemically distinct InN subclusters, with the majority of these subclusters exhibiting a significant prevalence of CHRM3 expression. Two primary groups of InNs were characterized based on their co-expression patterns, with one group primarily expressing CHRM2+/CHRM3+ and the other expressing CHRM1+/CHRM3+, indicating a complex interplay of receptor expression that correlates with neurochemical identity.
Further analysis revealed that differential gene expression (DEG) profiles were more pronounced in excitatory neurons (ExNs) compared to InNs, particularly in the context of CHRM1-3 enrichment. The study found that CHRM1+ and CHRM3+ ExNs shared similar transcriptomic profiles distinct from CHRM2+ neurons, with significant regional differences in DEGs between ACC and LPFC. Functional annotation analyses indicated that these DEGs were associated with key signaling pathways related to synaptic transmission and plasticity, underscoring the functional implications of mAChR expression in shaping neuronal activity. The findings suggest that the cholinergic modulation of synaptic properties differs between ACC and LPFC, with carbachol treatment revealing a greater inhibitory influence on excitatory synaptic currents in ACC, thereby highlighting the region-specific roles of mAChRs in cortical function.