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美国“脑计划”取得重大进展,从小鼠到猴子再到人类

◎ 科技日报记者 张梦然

美国“脑计划”之细胞普查项目(BICCN)揭示了哺乳动物(小鼠、猴子和人类)初级运动皮层的细胞类型图谱和神经元解剖接线图。该图谱为更深入地研究哺乳动物大脑其余部分的细胞类型奠定了基础。这些发现以17篇相关论文的形式发表在《自然》杂志专辑上。

美国国立卫生研究院(NIH)院长弗朗西斯·柯林斯表示,“由于这项开创性的合作,我们现在对大脑运动皮层中发现的脑细胞及其基本功能特性有了全面了解。该图谱将为未来研究物种内部和跨物种大脑的结构和功能提供了跳板。”

人类能全面了解自己的大脑吗?

人脑是一个极其复杂的器官,由大约1000亿个神经元、大致相同数量的非神经元细胞和数万亿个神经元连接组成。尽管所有人都具有相同的一般大脑结构,但各种环境和遗传因素会影响我们大脑的发育和功能。换句话说,每个人的大脑都反映了他们独特的背景和生活经历。

图源:艾伦脑科学研究所

全面了解构成大脑的所有细胞类型、它们的特征以及它们在个体与个体之间的差异对于理解是什么让我们人类与众不同至关重要。了解在大脑结构和功能发展中起作用的因素也是了解精神分裂症、成瘾、癫痫症和阿尔茨海默病等疾病如何发展的重要步骤。

NIH神经系统疾病和中风研究所所长瓦尔特·科洛谢茨表示,现在人们迫切需要开发针对大脑疾病的疗法。

值得高兴的是,BICCN的研究能为科学家提供工具,使通过基因组疗法针对影响思维、记忆、情绪和运动的疾病,实现细胞类型和神经网络的精确靶向成为可能。

图源:艾伦脑科学研究所

用前所未有的细节看待大脑

过去10年的科学进步,使研究人员能够从仅分析脑细胞的物理特征转向研究细胞功能背后的分子特征。研究人员现在可以检视转录组(细胞中完整的基因读数集,其中包含制造蛋白质和其他细胞产物的说明)和细胞的表观基因组(对细胞 DNA的化学修饰集,它改变了细胞遗传信息的表达方式)。技术创新已扩展到可对数千万个单细胞进行快速、经济高效的分析,以更好地了解大脑的组成部分。

图源:艾伦脑科学研究所

这些科学进步为研究人员提供了以前所未有的细节了解大脑结构和功能的机会。2017年,BICCN汇集了研究人员团队,协同开发了人脑、猴脑和小鼠脑中细胞类型的综合参考图谱。BICCN研究人员着手对哺乳动物大脑的不同细胞进行编目和绘制图谱,就像人口普查一样,人口普查员记录个人的人口统计和地理特征。研究人员专注于初级运动皮层,这是一个参与控制复杂运动的大脑区域,已知在哺乳动物物种中具有相似性。

在当前的一系列研究中,研究人员使用从运动皮层中数百万个细胞中获得的一系列单细胞转录组和表观基因组测量值来创建跨物种、数据驱动的脑细胞类型框架。研究人员通过结合使用电生理学、形态学和电路追踪方法来表征他们发现的脑细胞类型。他们还使用来自单细胞转录组和表观基因组分析的数据来识别独特的基因标记,这些标记定义了在初级运动皮层中发现的许多不同细胞类型。重要的是,这项工作不仅仅是描绘细胞类型的纲要,它还确定了允许研究人员精确监测和调节特定细胞神经活动的遗传工具。

研究人员在小鼠、猴子和人类中发现了相似的细胞类型,但也发现了基因表达的重要差异,这可能是这3个物种处理神经信息方式发生变化的原因。

图源:艾伦脑科学研究所

自此有了大脑“参考资料库”

美国国家心理健康研究所所长乔舒亚·戈登博士说,通过对来自多种尖端技术的数据进行令人印象深刻的整合,BICCN创建了一个全面的“参考资料库”,对哺乳动物初级运动皮层中发现的多种类型的细胞进行了编目和表征,描述了它们的比例、空间分布、解剖学和生理学特征和分子遗传图谱。这项工作代表了关键的一步,它将大大加快了解大脑的进展速度。

这些初步结果为未来深入研究哺乳动物大脑细胞结构和功能的研究工作奠定了基础。未来研究将努力了解大脑如何成熟和发育,以及不同细胞类型在创造复杂思维和行为中所起的作用。

编辑:黄磊

审核:王小龙



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原文地址《 美国“脑计划”取得重大进展,从小鼠到猴子再到人类》发布于2021-10-10
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