美國“腦計劃”取得重大進展：哺乳動物大腦詳圖可供研究

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

在人腦組織切片上進行的神經元數字重建疊加。圖為人腦最外層新皮層內側顳回中的幾種不同類型的神經元。

一種高度專業化的人類神經元——CARM1P1神經元，可在大腦中發送遠程連接，也可能選擇性地易受阿爾茨海默病的影響。

轉基因小鼠的腦切片，其大腦皮層中基因定義的神經元用紅色熒光標記。

圖片來源：艾倫腦科學研究所

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

　　美國國立衛生研究院（NIH）院長弗朗西斯·柯林斯表示：“由于這項開創性的合作研究，我們現在對大腦運動皮層的細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部和跨物種大腦的結構和功能提供跳板。”

　　人類能全面了解自己的大腦嗎

　　人腦是一個極其復雜的器官，由大約1000億個神經元、大致相同數量的非神經元細胞和數萬億個神經連接組成。盡管所有人都具有相同的一般大腦結構，但多種環境和遺傳因素會影響我們大腦的發育和功能。換句話說，每個人的大腦都反映了他們獨特的背景和生活經歷。

　　全面了解構成大腦的所有細胞類型、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人類與眾不同至關重要。了解在大腦結構和功能發展中起作用的因素，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展的重要環節。

　　NIH神經系統疾病和中風研究所所長瓦爾特·科洛謝茨表示，現在人們迫切需要開發針對大腦疾病的療法。

　　值得高興的是，BICCN的研究能為科學家提供工具，通過基因組療法，使精確靶向細胞類型和神經網絡成為可能，從而治療那些影響人們思維、記憶、情緒和運動的疾病。

　　為深入了解大腦提供前所未有的細節

　　過去10年的科學進步，使研究人員從僅能分析腦細胞的物理特征，轉向研究細胞功能背后的分子特征。研究人員現在可以檢視轉錄組（細胞中完整的基因讀數集，其中包含制造蛋白質和其他細胞產物的信息）和細胞的表觀基因組（對細胞DNA的化學修飾集，它改變了細胞遺傳信息的表達方式）。技術創新已擴展到可對數千萬個單細胞進行快速、經濟、高效的分析，以更好地了解大腦的組成部分。

　　這些科學進步為研究人員提供了前所未有的細節，可以更深入地了解大腦的結構和功能。2017年，BICCN匯集了研究團隊，協同開發了人腦、猴腦和小鼠腦中細胞類型的綜合參考圖譜。他們對哺乳動物大腦的不同細胞進行編目和繪制圖譜，就像人口普查員記錄個人的統計和地理特征一樣。研究人員專注于初級運動皮層，這是一個參與控制復雜運動的大腦區域，已知在哺乳動物中具有相似性。

　　在當前的一系列研究中，研究人員使用從運動皮層的數百萬個細胞中獲得的一系列單細胞轉錄組和表觀基因組測量值來創建跨物種、數據驅動的腦細胞類型框架；結合電生理學、形態學和電路追蹤方法來表征所發現的腦細胞類型；用來自單細胞轉錄組和表觀基因組分析的數據來識別獨特的基因標記，這些標記定義了在初級運動皮層中發現的許多不同細胞類型。重要的是，這項工作不僅僅是描繪細胞類型的綱要，它還確定了能精確監測和調節特定細胞神經活動的遺傳工具。

　　研究人員在小鼠、猴子和人類中發現了相似的細胞類型，同時也發現了基因表達的重要差異，這可能是這3個物種處理神經信息方式發生變化的原因。

　　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的數據進行令人印象深刻的整合，BICCN創建了一個全面的“參考資料庫”，對哺乳動物初級運動皮層中發現的多種類型的細胞進行了編目和表征，描述了它們的比例、空間分布、解剖學和生理學特征以及分子遺傳圖譜。這項工作代表了關鍵的一步，將大大加快人們了解大腦的進展速度。

　　這些初步結果為未來深入研究哺乳動物大腦的細胞結構和功能奠定了基礎。未來研究將努力了解大腦如何成熟和發育，以及不同細胞類型在創造復雜思維和行為中所起的作用。