美國「腦計劃」里程碑！Nature 連發(fā)16篇論文，繪制最全腦細胞地圖
大腦是宇宙中最復雜的存在。近幾十年來美國、歐盟相繼開啟了大腦研究計劃。前不久，Nature 連發(fā)16篇重磅論文，發(fā)布了史上最全大腦運動皮層細胞圖譜，這是否意味關于大腦的真相近在咫尺了呢？
首先，來做個簡單的動作：把手放在額頭前面。
就像這樣：
簡單吧？但就這么個動作，需要調(diào)動大腦中幾個區(qū)域數(shù)百萬個不同神經(jīng)元。神經(jīng)元信號以超過300公里的時速從大腦發(fā)送到脊髓，通過控制肌肉，來實現(xiàn)手臂移動。
實際上，在細胞層面上，這種快速移動的動作是一個高度復雜的過程。而且，和多數(shù)與大腦活動有關的事情類似，人們并不完全了解這些活動的具體機制。
換句話說，我們自己的大腦，對于今天的我們還是非常神秘的存在。
為了解開大腦的秘密，2017年，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）通過推進創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)，開啟了「大腦細胞普查網(wǎng)絡項目」(BICCN)，旨在對人類、猴子和小鼠大腦中的不同細胞類型進行全面識別和編目。
現(xiàn)在，這項雄心勃勃的努力的第一步已經(jīng)完成，研究人員在分子水平上全面繪制出了哺乳動物初級運動皮層細胞類型的特征圖。
這是迄今為止對哺乳動物大腦所繪制的最全面、最細致的地圖。
近日，Nature上一口氣發(fā)表了16篇這一項目的研究論文。
這個成果可謂意義非凡。此次繪制出的大腦圖譜，將幫助人類更好地理解大腦疾病，包括那些攻擊控制運動神經(jīng)元的疾病，如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等。
此次主要完成的是對初級運動皮層的逐個細胞級的圖譜繪制。而之所以選擇初級運動皮層，是因為這部分大腦結(jié)構(gòu)在所有哺乳動物中都很相似。
人類（左）、狨猴（中）和小鼠大腦（右）中按腦細胞類型聚類的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)
盡管人類、猴子和老鼠的大腦之間存在許多差異，但我們控制運動的方式實際上是非常相似的。初級運動皮層是哺乳動物大腦的外層，不僅整合了感覺和運動信息，還產(chǎn)生了復雜的認知功能。
此次完成的「大腦圖譜」是「大腦細胞普查網(wǎng)絡」(BICCN) 項目的一部分。該項目的此次重大階段性成果，標志著我們對所有類型的腦細胞進行編目的目標邁進了一大步。
和人口普查類似，細胞普查的對象是所有不同類型的腦細胞，考察它們的特征、相對比例和物理地址，并將結(jié)果編成目錄，以了解共同構(gòu)成我們大腦的細胞群。
只有了解腦細胞的構(gòu)成，才能更好地理解大腦的工作原理，進而了解疾病的機理。
「如果我們真的想了解大腦是如何工作的，就必須深入了解大腦的基本單位。也就是腦細胞」艾倫腦科學研究所高級研究員、BRAIN Initiative 研究的首席研究員 Ed Lein 博士說。
曾紅葵
曾紅葵博士是艾倫腦科學研究所執(zhí)行副總裁兼所長。她表示：「一個人的大腦中的細胞數(shù)量超過1600億，比世界上的人口總數(shù)還多出20多倍。」
她將大腦比做一個系統(tǒng)。
「要了解一個系統(tǒng)如何工作，首先需要建立一個零件清單。然后你必須了解每個零件負責做什么事，再將這些零件組合在一起，了解整個系統(tǒng)是如何工作的。這就是現(xiàn)在我們對大腦所做的事情。」她說。
小鼠初級運動皮層中不同類型的神經(jīng)元和其他腦細胞的組織圖
在技術(shù)上，研究人員通過名為「Patch-seq」 的技術(shù)從活的人類神經(jīng)元中獲取電信息，并獲得其3D 形狀和基因表達。
上圖所示為哺乳動物大腦最外層新皮層內(nèi)側(cè)顳回中的幾種不同類型的神經(jīng)元
研究人員使用了幾種不同的方法來測量各種腦細胞的特征，對這些特征進行關聯(lián)和整合，正是這些特征定義了腦細胞的類型。
這些特征包括控制細胞開關的完整基因組；一個細胞的「表觀遺傳圖」，它定義了基因的調(diào)控方式、細胞的 3D 形狀、電氣特性、以及與其他細胞的連接方式等。
單細胞基因表達和表觀遺傳數(shù)據(jù)之所以如此重要，是因為研究人員能夠通過整合數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個細胞分類的通用框架，并在物種內(nèi)和物種間進行比較。
「目前對于大腦疾病研究的局限之一是，我們對疾病影響了哪些細胞、這些細胞間的連接方式還不夠了解，因此無法準確發(fā)力。」美國國立衛(wèi)生研究院 BRAIN 計劃主任 John Ngai 博士說。
Ngai表示，本次研究成果提供了有關構(gòu)成大腦的細胞類型及其特性的詳細信息，最終將有助于開發(fā)大腦和精神疾病的新療法。
