9000果蠅大腦解剖，揭示神經元如何精準連接

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大腦就像一個極其精密的通信網絡。它們通過神經元之間的連接形成一個特定的環路，感知外部世界，并指揮著人和動物的行動。

科學家已經發現，人腦擁有大約860億個神經元，每兩個神經元之間都有數千個突觸連接，總連接可以達到1014個，負責人腦不同區域的連接和行為。

“神經元之間建立精準連接對于人和其他動物的生存至關重要。一旦發生連接錯誤，形成神經發育障礙，就會產生智力障礙、自閉癥譜系障礙等疾病。”斯坦福大學神經科學博士謝琦婧對《中國科學報》說。

那么，大腦神經元之間如何建立精準連接呢？在最近發表于《神經元》期刊的研究中，謝琦婧所在的斯坦福大學及霍華德·休斯醫學研究所教授駱利群研究團隊，通過解剖9000多個果蠅的大腦，證實了神經細胞的兩種蛋白“里應外合”組隊執行精準連接的密碼。

“里應外合”“發號施令”

通過數十年的研究，科學家對大腦的主要蛋白質結構和突觸傳遞的大致輪廓已經有了深入了解，一些分子會幫助不同類型的神經元在發育中將樹突或軸突輻射到正確的區域，并與其他相對應的神經元建立特異性連接。

目前所知的這些分子大都屬于兩類蛋白：轉錄蛋白（或轉錄因子）和細胞表面蛋白。

轉錄因子位于細胞核內，被稱為細胞命運的“中心指揮官”，決定著細胞的形態和功能；位于細胞膜表面的蛋白，則是命令的執行者。“科學家時常猜測，轉錄因子是通過控制細胞表面蛋白的表達，來控制神經元之間的精準連接。但卻不清楚轉錄因子通過調節哪些細胞的表面蛋白來發號施令。”謝琦婧說。

在新研究中，研究者以嗅覺感知轉錄因子Acj6為例，展示了這個“中心指揮官”如何通過調節不同組合的細胞表面蛋白的表達，控制不同神經元類型的精準連接。謝琦婧和駱利群實驗室博士李介夫為本文共同第一作者。

大約20年前，駱利群團隊就發現Acj6可以控制一部分觸覺投射神經元的精準連接。不過，當時由于缺少直接測量特定細胞群體表面蛋白表達的方法，無法進一步知曉Acj6以及其他轉錄因子如何通過細胞表面的蛋白質控制神經連接的特異性。

面對這一挑戰，李介夫和合作者在2020年開發了一種可標記細胞表面蛋白的方法，可以使用質樸一來確定這些蛋白的“身份”。更關鍵的是，該技術可直接在完整果蠅大腦內對指定細胞類型的表面蛋白組進行高精度的生物素標記、富集和分析，使分析表面蛋白組與相應的神經元如何連接成為可能。

利用這種技術，研究人員在新研究中揭示了許多執行Ajc6命令的分子，首次通過實驗證明了神經連接特異性是由組合編碼控制的。“一位審稿人友善地告訴我們，這項研究比之前所有關于這個主題的論文加起來的信息還要多。”駱利群在接受媒體采訪時說。

果蠅大腦尋找“密碼”

結果令人欣喜，但發現過程并不簡單。

“在不同神經元中，一個轉錄因子是通過調節相同、還是不同的細胞表面蛋白以指定它們的特異連接，這個問題過去并不清楚。為此，我們需要敲除或者不表達這些基因，觀察其對嗅覺投射神經元的影響，看看是否仍然可以建立正確的連接。”謝琦婧解釋。研究人員選擇利用模式動物果蠅尋找其中的“密碼”。果蠅的大腦看似很小，卻有20萬個神經元以及超越1000萬個突觸連接。確定其中一個細胞內某個特定蛋白的作用，其難度無異于海底撈針。

為了得到足夠多的樣品，謝琦婧在團隊的幫助下耗費數月時間，解剖了不下9000只果蠅的大腦。在實驗中，他們分別在野生型（存在Acj6）和突變體（喪失Acj6）中，對嗅覺投射神經元進行了表面蛋白組的定量分析，揭示了許多執行Acj6連接指示的分子。

有趣的是，除了細胞粘附分子外，他們還發現了一些傳統上被認為只介導神經元功能的蛋白，如機械敏感離子通道Piezo，在確保精準的神經連接中同樣起關鍵的調控作用。

去年，美國神經科學家Ardem Patapoutian曾因鑒定出哺乳動物中感受機械力的陽離子通道Piezo家族，并發現其在觸覺、本體感知等方面的重要作用而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。現在，新研究發現失去Piezo的突變體會導致神經元樹突錯誤的靶向。“這個結果首次展示了Piezo獨立于機械感覺離子通道的功能。”謝琦婧說。

為了建立Acj6與其調控的表面蛋白在樹突靶向中的功能性聯系，研究人員在投射神經元中特異性地敲除了該轉錄因子，又在這些神經元中特異性地表達了Acj6促進表達的表面蛋白。結果表明，在不同神經元類型中，Acj6通過調控不同組合的表面蛋白表達來指定這類神經元特異的靶向。

“這說明在不同的神經元類型中，轉錄因子這個‘中心指揮官’是通過控制不同組合的表面蛋白來完成指令，形成特異性的、非常靈敏的連接。這也揭示了為什么少量的神經元分子可以控制非常多不同的神經連接。”謝琦婧說。

更好地助力疾病防治

在這樣研究中，作者還展示了神經元表面蛋白間的遺傳相互作用模式：加法、減法和協同。

除了神經發育，他們表示，“轉錄因子—細胞表面蛋白—生理功能”這樣的框架存在在一切涉及細胞與環境交流的生物學過程中。因此，這項研究也為未來研究轉錄因子功能與機理提出了一個新的策略和方法的原型。

“盡管小小的果蠅看起來跟人類有很大的不同，但它們的基因組和人類基因組實際上有著60%的同源性。”剛在企業就職的謝琦婧希望，通過這些基礎研究，可以更好地了解人類以及其他動物的大腦以及如何生長發育，同時讓人們了解哪些基因突變會帶來疾病，從而更好地進行預防和治療。

該研究中所采用的蛋白質組學技術也不僅適用于神經元，還可以很容易地擴展到其他應用方面。據介紹，李介夫正在霍華德休斯醫學研究所珍尼亞研究園區組建自己的實驗室，他希望“在那里將使用這些工具來研究免疫系統和癌癥”。