全面了解大腦 美國(guó)繪制哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型圖譜和神經(jīng)元解剖接線圖

美國(guó)“腦計(jì)劃”的細(xì)胞普查項(xiàng)目(BICCN)繪制了哺乳動(dòng)物(小鼠、猴子和人類)初級(jí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)院長(zhǎng)弗朗西斯·柯林斯表示：“由于這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的合作研究，我們現(xiàn)在對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)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(lái)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(gè)極其復(fù)雜的器官，由大約1000億個(gè)神經(jīng)元、大致相同數(shù)量的非神經(jīng)元細(xì)胞和數(shù)萬(wàn)億個(gè)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(huì)影響我們大腦的發(fā)育和功能。換句話說(shuō)，每個(gè)人的大腦都反映了他們獨(dú)特的背景和生活經(jīng)歷。

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?cè)趥€(gè)體之間的差異，對(duì)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)。

NIH神經(jīng)系統(tǒng)疾病和中風(fēng)研究所所長(zhǎng)瓦爾特·科洛謝茨表示，現(xiàn)在人們迫切需要開(kāi)發(fā)針對(duì)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(guò)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(dòng)的疾病。

為深入了解大腦提供前所未有的細(xì)節(jié)

過(guò)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(duì)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(duì)數(shù)千萬(wàn)個(gè)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。

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(kāi)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(duì)哺乳動(dòng)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(gè)人的統(tǒng)計(jì)和地理特征一樣。研究人員專注于初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，這是一個(gè)參與控制復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的大腦區(qū)域，已知在哺乳動(dòng)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(dòng)皮層的數(shù)百萬(wàn)個(gè)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(cè)量值來(lái)創(chuàng)建跨物種、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(lái)表征所發(fā)現(xiàn)的腦細(xì)胞類型;用來(lái)自單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組分析的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別獨(dú)特的基因標(biāo)記，這些標(biāo)記定義了在初級(jí)運(yùn)動(dòng)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(cè)和調(diào)節(jié)特定細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)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(shí)也發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)的重要差異，這可能是這3個(gè)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(kù)”

美國(guó)國(guó)家心理健康研究所所長(zhǎng)喬舒亞·戈登博士說(shuō)，通過(guò)對(duì)來(lái)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(gè)全面的“參考資料庫(kù)”，對(duì)哺乳動(dòng)物初級(jí)運(yùn)動(dòng)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(lái)深入研究哺乳動(dòng)物大腦的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)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。(張夢(mèng)然)

關(guān)鍵詞： 大腦 美國(guó) 繪制 哺乳動(dòng)物