人類神經(jīng)元的數(shù)字重建。圖片來源：美國艾倫腦科學(xué)研究所

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你可能覺得很簡(jiǎn)單，但這個(gè)動(dòng)作卻需要大腦不同區(qū)域的數(shù)以百萬計(jì)的神經(jīng)元齊心協(xié)力發(fā)出信號(hào)，信號(hào)以每小時(shí)200英里的速度從大腦發(fā)送到脊髓，然后再到肌肉，從而移動(dòng)你的手臂。

實(shí)際上，在細(xì)胞水平上，快速運(yùn)動(dòng)是一個(gè)高度復(fù)雜的過程?，F(xiàn)在，美國國立衛(wèi)生研究院大腦創(chuàng)新項(xiàng)目細(xì)胞調(diào)查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）科學(xué)家首次精確繪制了人類、老鼠和猴子大腦中控制運(yùn)動(dòng)區(qū)域的神經(jīng)元和其他細(xì)胞的圖集。該結(jié)果將為繪制整個(gè)哺乳動(dòng)物的大腦，以及更好地理解神秘大腦疾病鋪平道路。

近日，《自然》發(fā)表17篇文章描述了該圖集。

要解構(gòu)由數(shù)百億神經(jīng)元組成的思考機(jī)器——大腦，人們有一個(gè)零件清單，即大腦細(xì)胞類型庫。但神經(jīng)科學(xué)家們一直在努力將清單標(biāo)準(zhǔn)化。現(xiàn)在，這個(gè)由400多名研究人員組成的聯(lián)盟，分析了從大腦中參與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域中提取出來的數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞。

研究人員將細(xì)胞的遺傳特征及形狀、位置和電活動(dòng)模式進(jìn)行了對(duì)比，從而確定了人類大腦中100多種細(xì)胞類型。該目錄可以幫助研究人員確定受腦疾病影響的細(xì)胞類型，在動(dòng)物模型中識(shí)別相應(yīng)的細(xì)胞，并更好地針對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行治療。

這個(gè)細(xì)胞圖譜“就像神經(jīng)科學(xué)的羅塞塔石碑”，未參與該項(xiàng)目的瑞典卡羅林斯卡學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Jens Hjerling-Leffler說。

要繪制該圖集，BICCN研究員、哈佛大學(xué)生物物理學(xué)家莊小威表示，單靠測(cè)序并不能說明問題的全部。“我們還需要知道細(xì)胞在大腦中的位置，以及它們的鄰近細(xì)胞是什么，如何相互作用?！?/p>

為了有效地收集信息，研究人員將注意力集中在橫跨大腦頂部的條狀組織——初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，該區(qū)域負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)肌肉運(yùn)動(dòng)。研究人員表示，目前的技術(shù)可以同時(shí)捕獲多個(gè)特性。例如，莊小威實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種方法可以讓研究人員在腦組織切片中成像上千RNA序列，揭示細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組及其相對(duì)位置。

在BICCN的數(shù)據(jù)中，根據(jù)轉(zhuǎn)錄組分類的細(xì)胞傾向于共享其他特征，如位置、形狀和電活動(dòng)。BICCN科學(xué)家在一篇總結(jié)該工作的論文中寫道，這一發(fā)現(xiàn)“為分子定義細(xì)胞類型提供了強(qiáng)有力的驗(yàn)證”。對(duì)于人類的運(yùn)動(dòng)皮層，出現(xiàn)了127種這樣的細(xì)胞類型。

BICCN研究員、艾倫腦科學(xué)研究所所長(zhǎng)曾紅葵表示，確切的數(shù)字取決于細(xì)胞分組標(biāo)準(zhǔn)?！?27?130?還是100?這不是那么明確?！彼f，更重要的是細(xì)胞類型的層次結(jié)構(gòu)，一些基本的細(xì)胞類型在頂端，更細(xì)微的分類在下部。對(duì)于不同類型的測(cè)量值，同一級(jí)別的頂級(jí)細(xì)胞往往是相似的——在研究的3個(gè)物種中也是如此。曾紅葵說，再往下看，細(xì)胞類型之間的區(qū)別“變得模糊得多”。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）研究神經(jīng)遺傳疾病的臨床遺傳學(xué)家Mina Ryten說，新的細(xì)胞普查可能會(huì)塑造研究人員為腦疾病建模的方式。“實(shí)際上很難預(yù)測(cè)一個(gè)基因突變會(huì)對(duì)一個(gè)人產(chǎn)生什么影響，部分原因是你沒有一個(gè)框架來理解它是在哪種細(xì)胞類型中表達(dá)的?！?/p>

BICCN的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家確定哪些人類細(xì)胞類型最容易受到特定突變的影響。老鼠和猴子的數(shù)據(jù)可以幫助他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室動(dòng)物中識(shí)別和研究類似的細(xì)胞類型。在創(chuàng)建了部分細(xì)胞清單后，研究人員表示，仍然需要研究細(xì)胞類型在正常運(yùn)作的大腦中是如何行為和相互作用的。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03950-0

來源：中國科學(xué)報(bào)