科技日報記者 張夢然

美國“腦計劃”的細(xì)胞普查項(xiàng)目（BICCN）繪制了哺乳動物（小鼠、猴子和人類）初級運(yùn)動皮層的細(xì)胞類型圖譜和神經(jīng)元解剖接線圖。該圖譜為更深入地研究哺乳動物大腦其余部分的細(xì)胞類型奠定了基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)以17篇論文的形式發(fā)表在《自然》雜志專輯上。

小鼠大腦圖譜旨在解析小鼠大腦的基因組學(xué)基礎(chǔ)形式和功能，可作為相關(guān)人類研究的模型。

圖源：艾倫腦科學(xué)研究所

美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）院長弗朗西斯·柯林斯表示：“由于這項(xiàng)開創(chuàng)性的合作研究，我們現(xiàn)在對大腦運(yùn)動皮層的細(xì)胞及其基本功能特性有了全面了解。該圖譜將為未來研究物種內(nèi)部和跨物種大腦的結(jié)構(gòu)和功能提供跳板。”

人類能全面了解自己的大腦嗎

人腦是一個極其復(fù)雜的器官，由大約1000億個神經(jīng)元、大致相同數(shù)量的非神經(jīng)元細(xì)胞和數(shù)萬億個神經(jīng)連接組成。盡管所有人都具有相同的一般大腦結(jié)構(gòu)，但多種環(huán)境和遺傳因素會影響我們大腦的發(fā)育和功能。換句話說，每個人的大腦都反映了他們獨(dú)特的背景和生活經(jīng)歷。

在腦外科患者捐贈的腦組織切片上進(jìn)行的人類神經(jīng)元的數(shù)字重建疊加。艾倫腦研所研究人員通過一種稱為Patch-seq的技術(shù)從這些活的人類神經(jīng)元中獲取電信息以及它們的3D形狀和基因表達(dá)。這張圖片顯示了人類大腦最外層新皮層內(nèi)側(cè)顳回中的幾種不同類型的神經(jīng)元。

圖源：艾倫腦科學(xué)研究所

全面了解構(gòu)成大腦的所有細(xì)胞類型、它們的特征以及它們在個體之間的差異，對于理解是什么讓我們?nèi)祟惻c眾不同至關(guān)重要。了解在大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展中起作用的因素，也是了解精神分裂癥、成癮、癲癇癥和阿爾茨海默病等疾病如何發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

與嚙齒動物相比，人類神經(jīng)元似乎高度專業(yè)化。艾倫腦研所的科學(xué)家們正在研究這些神經(jīng)元，其中一種類型是CARM1P1神經(jīng)元，它們在大腦中發(fā)送遠(yuǎn)程連接，并且可能選擇性地易受阿爾茨海默病的影響。

圖源：艾倫腦科學(xué)研究所

NIH神經(jīng)系統(tǒng)疾病和中風(fēng)研究所所長瓦爾特·科洛謝茨表示，現(xiàn)在人們迫切需要開發(fā)針對大腦疾病的療法。

值得高興的是，BICCN的研究能為科學(xué)家提供工具，通過基因組療法，使精確靶向細(xì)胞類型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為可能，從而治療那些影響人們思維、記憶、情緒和運(yùn)動的疾病。

為深入了解大腦提供前所未有的細(xì)節(jié)

過去10年的科學(xué)進(jìn)步，使研究人員從僅能分析腦細(xì)胞的物理特征，轉(zhuǎn)向研究細(xì)胞功能背后的分子特征。研究人員現(xiàn)在可以檢視轉(zhuǎn)錄組（細(xì)胞中完整的基因讀數(shù)集，其中包含制造蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞產(chǎn)物的信息）和細(xì)胞的表觀基因組（對細(xì)胞DNA的化學(xué)修飾集，它改變了細(xì)胞遺傳信息的表達(dá)方式）。技術(shù)創(chuàng)新已擴(kuò)展到可對數(shù)千萬個單細(xì)胞進(jìn)行快速、經(jīng)濟(jì)、高效的分析，以更好地了解大腦的組成部分。

轉(zhuǎn)基因小鼠的腦切片，其中大腦皮層中基因定義的神經(jīng)元用紅色熒光標(biāo)記。

圖源：艾倫腦科學(xué)研究所

這些科學(xué)進(jìn)步為研究人員提供了前所未有的細(xì)節(jié)，可以更深入地了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能。2017年，BICCN匯集了研究團(tuán)隊(duì)，協(xié)同開發(fā)了人腦、猴腦和小鼠腦中細(xì)胞類型的綜合參考圖譜。他們對哺乳動物大腦的不同細(xì)胞進(jìn)行編目和繪制圖譜，就像人口普查員記錄個人的統(tǒng)計和地理特征一樣。研究人員專注于初級運(yùn)動皮層，這是一個參與控制復(fù)雜運(yùn)動的大腦區(qū)域，已知在哺乳動物中具有相似性。

在當(dāng)前的一系列研究中，研究人員使用從運(yùn)動皮層的數(shù)百萬個細(xì)胞中獲得的一系列單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組測量值來創(chuàng)建跨物種、數(shù)據(jù)驅(qū)動的腦細(xì)胞類型框架；結(jié)合電生理學(xué)、形態(tài)學(xué)和電路追蹤方法來表征所發(fā)現(xiàn)的腦細(xì)胞類型；用來自單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組分析的數(shù)據(jù)來識別獨(dú)特的基因標(biāo)記，這些標(biāo)記定義了在初級運(yùn)動皮層中發(fā)現(xiàn)的許多不同細(xì)胞類型。重要的是，這項(xiàng)工作不僅僅是描繪細(xì)胞類型的綱要，它還確定了能精確監(jiān)測和調(diào)節(jié)特定細(xì)胞神經(jīng)活動的遺傳工具。

研究人員在小鼠、猴子和人類中發(fā)現(xiàn)了相似的細(xì)胞類型，同時也發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)的重要差異，這可能是這3個物種處理神經(jīng)信息方式發(fā)生變化的原因。

研究者從此有了大腦“參考資料庫”

美國國家心理健康研究所所長喬舒亞·戈登博士說，通過對來自多種尖端技術(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行令人印象深刻的整合，BICCN創(chuàng)建了一個全面的“參考資料庫”，對哺乳動物初級運(yùn)動皮層中發(fā)現(xiàn)的多種類型的細(xì)胞進(jìn)行了編目和表征，描述了它們的比例、空間分布、解剖學(xué)和生理學(xué)特征以及分子遺傳圖譜。這項(xiàng)工作代表了關(guān)鍵的一步，將大大加快人們了解大腦的進(jìn)展速度。

這些初步結(jié)果為未來深入研究哺乳動物大腦的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能奠定了基礎(chǔ)。未來研究將努力了解大腦如何成熟和發(fā)育，以及不同細(xì)胞類型在創(chuàng)造復(fù)雜思維和行為中所起的作用。

關(guān)鍵詞： 美國 哺乳動物 可研 詳圖