19世紀，現(xiàn)代神經(jīng)科學之父圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾將這種體驗比作“走進了擁有千億棵樹的森林”。多年來，他試圖寫一本帶插圖的“森林實地指南”。如今，科學家已經(jīng)有了該“指南”的初稿。視覺中國供圖
當科學家第一次在顯微鏡下觀察大腦組織時，他們看到的是難以捉摸、雜亂無章的混沌狀態(tài)。
19世紀，現(xiàn)代神經(jīng)科學之父圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾將這種體驗比作“走進了擁有千億棵樹的森林”。多年來，他試圖寫一本帶插圖的“森林實地指南”。
如今，科學家已經(jīng)有了該“指南”的初稿。10月12日，刊發(fā)在新一期美國《科學》《科學進展》和《科學·轉(zhuǎn)化醫(yī)學》雜志上的21篇論文公布并闡釋了迄今為止最全面的人類腦細胞圖譜。
整個研究工作是美國國立衛(wèi)生研究院“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術腦研究計劃”（以下簡稱“腦計劃”）中的“大腦細胞普查網(wǎng)絡項目”（BICCN）的一部分。此次發(fā)表的論文是數(shù)百名科學家利用最先進的分子生物學技術進行的一系列合作研究的成果，從單細胞層面以前所未有的顆粒度解析了人腦的組織結(jié)構(gòu)。這些研究對3000多種人類腦細胞類型進行了特征分析，闡明了某些人類腦細胞與其他靈長類動物腦細胞的區(qū)別，將有助于研究大腦認知、疾病和人類之本源等問題。
從小鼠到人腦的單細胞測序
腦細胞或神經(jīng)元有許多不同類型。
目前在荷蘭烏得勒支大學醫(yī)學中心任職的神經(jīng)科學家金伯莉·西萊蒂及其團隊對覆蓋人類大腦106個位置的300多萬個細胞進行了核糖核酸（RNA）測序，分析記錄了包含3000多個亞型的461個腦細胞大類，為繪制整個圖譜奠定了基礎。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元和其他細胞類型的組合在每個區(qū)域也不同，而一些細胞只在特定的位置被發(fā)現(xiàn)。研究還表明，腦干含有特別多的神經(jīng)元類型，比想象中復雜得多。
美國索爾克生物研究所的分子生物學家約瑟夫·埃克爾及其團隊分析了來自3個人腦的超過50萬個腦細胞中開啟或關閉基因的化學標記物，并根據(jù)充當基因開關的各種分子識別出近200種腦細胞類型。精確定位激活或阻斷腦細胞基因表達的開關，有助于腦部疾病的診斷和新療法的開發(fā)。研究人員表示，這是首次將最初在小鼠身上開發(fā)和應用識別腦細胞亞型的技術應用于人類大腦。
據(jù)美國《連線》雜志報道，在“腦計劃”的早期階段，科學家開發(fā)了創(chuàng)建小鼠大腦細胞圖譜的方法，但將所用技術引入對人類大腦的研究并非易事。中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心青年研究員孫怡迪告訴科技日報記者，此前，識別腦細胞亞型的單細胞測序技術一般用于小鼠等實驗動物，這是因為它對取樣細胞的活性和質(zhì)量要求極高，而人腦樣本只能來自已故的捐贈者或腦手術患者，這些樣本的新鮮度和數(shù)量有限。因此對科學家而言，使用單細胞測序技術分析人腦是一個挑戰(zhàn)。同時，人腦組織在取樣和處理過程中可能會受到更多損傷，或?qū)⒂绊懡Y(jié)果的準確性。
此外，人類大腦比小鼠等實驗動物的大腦要復雜得多，人類大腦的體積約是小鼠大腦的15倍，神經(jīng)元數(shù)量是小鼠的1000倍，要獲得全面的單細胞數(shù)據(jù)，需要大規(guī)模測序，難度極大。因此，在索爾克生物研究所的研究中，單細胞測序技術實現(xiàn)了從小鼠到人類的應用，是一個“巨大的飛躍”。
基因開關影響疾病風險
此次研究中，科學家團隊分析和描述了來自每個細胞的兩種信息——基因表達（轉(zhuǎn)錄組）和DNA結(jié)構(gòu)（表觀基因組），能夠?qū)μ幱诓煌l(fā)育階段的細胞類型進行分類。
深圳華大生命科學研究院腦科學主任科學家、研究員劉石平告訴記者，細胞的功能是由細胞內(nèi)部不同層面的信息以及它所處的微環(huán)境共同決定的，而細胞內(nèi)部不同層面的信息包括了DNA序列結(jié)構(gòu)、DNA表觀結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄組的表達、蛋白的表達等等。因此，上述兩種信息是決定細胞功能的核心信息之一，對于繪制腦圖譜至關重要。
此次，美國加利福尼亞大學圣迭戈分校分子生物學家任兵及其團隊致力于在分子水平上理解細胞類型的差異，有助于理解大腦的工作原理、開發(fā)治療神經(jīng)疾病及精神疾病的新方法。
他們對來自3位捐贈者的100多萬個腦細胞如何獲取和使用遺傳信息進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了某些腦細胞類型與包括雙相情感障礙、抑郁癥和精神分裂癥等在內(nèi)的神經(jīng)疾病、精神疾病之間的聯(lián)系。他們還在42個不同的大腦區(qū)域識別出了100多種不同的細胞類型，遠超團隊預期。
該團隊使用細胞類型數(shù)據(jù)來預測基因開關如何影響基因調(diào)控，以及是否增加了患神經(jīng)疾病、精神疾病的風險。例如，在清除死亡或受損細胞的小膠質(zhì)細胞中，一些基因開關的存在與患阿爾茨海默病的風險密切相關。這些發(fā)現(xiàn)提示我們特定的基因或有缺陷的基因開關或許直接導致了疾病的發(fā)生。
任兵告訴《自然》雜志，目前的研究只是個開始，BICCN團隊的下一步是對大腦各個部位的更多細胞進行測序。研究人員還將使用更多的組織樣本來繪制人類大腦如何隨人群和年齡組變化的圖譜。
是什么讓人類與眾不同
科學界長期以來存在的一個謎團是，1億多個神經(jīng)元如何形成協(xié)同工作的網(wǎng)絡，影響著每個人的思想、情感和行為。
美國艾倫腦科學研究所的科學家團隊利用單細胞轉(zhuǎn)錄組學技術，研究了單個腦細胞中開啟的基因，揭示了驚人的細胞類型多樣性：我們有3000多種不同的腦細胞。
該團隊研究人員分析了75名個體大腦皮層細胞的基因表達，只發(fā)現(xiàn)了微小的差異，導致這些差異的原因在于年齡、性別、血統(tǒng)以及是否具有遺傳性等。
研究還分析了內(nèi)側(cè)顳回細胞的基因表達，該區(qū)域?qū)τ谌祟?、黑猩猩、大猩猩、獼猴和狨猴的語言理解至關重要。研究人員觀察到，所有這些靈長類動物都擁有幾乎相同的細胞類型，這些細胞類型在它們進化的某個時間點出現(xiàn)，并隨著進化而保留下來。只有幾百個基因顯示出僅在人類身上才能看到的表達模式。這些數(shù)據(jù)表明，狨猴和人類之間的明顯差異源于一些分子和細胞的變化。
研究人員觀察了人類大腦皮層不同區(qū)域的各種細胞類型，發(fā)現(xiàn)我們處理所見事物的視覺皮層比其他區(qū)域更加專業(yè)化和獨特，也比小鼠視覺皮層更加專業(yè)化。這一發(fā)現(xiàn)可能表明，人類比其他哺乳動物更依賴視覺。
《科學》雜志上的系列論文還包括對出生前和出生后人類大腦發(fā)育關鍵時刻的細胞的研究。了解這些“時刻”可以幫助科學家制作更好的模型來研究人腦，并有助于更好地理解哪些動物模型可以幫助我們增進對大腦的了解。
科學家為何如此關注大腦皮層？孫怡迪告訴記者，大腦皮層被認為與高級認知功能如學習、記憶、語言、決策和情感等密切相關。研究大腦皮層有助于揭示這些功能的基礎機制。了解大腦皮層的結(jié)構(gòu)還可以幫助我們更好地理解信息處理的方式。
劉石平在接受采訪時告訴記者，這項研究也說明，進行跨物種的腦研究，能夠更容易了解人類自身的特性，有望解開為何人類大腦如此特殊，甚至人類高級認知功能演化機制的謎題。
來源：科技日報
原標題：走進擁有千億棵樹的“腦森林”——最全腦細胞“普查”從單細胞層面解析人腦組織結(jié)構(gòu)
作者：本報記者 張佳欣
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