◎ 科技日報記者 張夢然

美國“腦計劃”之細胞普查專案（BICCN）揭示了哺乳動物（小鼠、猴子和人類）初級運動皮層的細胞型別圖譜和神經元解剖接線圖。該圖譜為更深入地研究哺乳動物大腦其餘部分的細胞型別奠定了基礎。這些發現以17篇相關論文的形式發表在《自然》雜誌專輯上。

美國國立衛生研究院（NIH）院長弗朗西斯·柯林斯表示，“由於這項開創性的合作，我們現在對大腦運動皮層中發現的腦細胞及其基本功能特性有了全面瞭解。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了跳板。”

人類能全面瞭解自己的大腦嗎？

人腦是一個極其複雜的器官，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元連線組成。儘管所有人都具有相同的一般大腦結構，但各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。

圖源：艾倫腦科學研究所

全面瞭解構成大腦的所有細胞型別、它們的特徵以及它們在個體與個體之間的差異對於理解是什麼讓我們人類與眾不同至關重要。瞭解在大腦結構和功能發展中起作用的因素也是瞭解精神分裂症、成癮、癲癇症和阿爾茨海默病等疾病如何發展的重要步驟。

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，使透過基因組療法針對影響思維、記憶、情緒和運動的疾病，實現細胞型別和神經網路的精確靶向成為可能。

圖源：艾倫腦科學研究所

用前所未有的細節看待大腦

過去10年的科學進步，使研究人員能夠從僅分析腦細胞的物理特徵轉向研究細胞功能背後的分子特徵。研究人員現在可以檢視轉錄組（細胞中完整的基因讀數集，其中包含製造蛋白質和其他細胞產物的說明）和細胞的表觀基因組（對細胞 DNA的化學修飾集，它改變了細胞遺傳資訊的表達方式）。技術創新已擴充套件到可對數千萬個單細胞進行快速、經濟高效的分析，以更好地瞭解大腦的組成部分。

圖源：艾倫腦科學研究所

這些科學進步為研究人員提供了以前所未有的細節瞭解大腦結構和功能的機會。2017年，BICCN彙集了研究人員團隊，協同開發了人腦、猴腦和小鼠腦中細胞型別的綜合參考圖譜。BICCN研究人員著手對哺乳動物大腦的不同細胞進行編目和繪製圖譜，就像人口普查一樣，人口普查員記錄個人的人口統計和地理特徵。研究人員專注於初級運動皮層，這是一個參與控制複雜運動的大腦區域，已知在哺乳動物物種中具有相似性。

在當前的一系列研究中，研究人員使用從運動皮層中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建立跨物種、資料驅動的腦細胞型別框架。研究人員透過結合使用電生理學、形態學和電路追蹤方法來表徵他們發現的腦細胞型別。他們還使用來自單細胞轉錄組和表觀基因組分析的資料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型別。重要的是，這項工作不僅僅是描繪細胞型別的綱要，它還確定了允許研究人員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型別，但也發現了基因表達的重要差異，這可能是這3個物種處理神經資訊方式發生變化的原因。

圖源：艾倫腦科學研究所

自此有了大腦“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，透過對來自多種尖端技術的資料進行令人印象深刻的整合，BICCN建立了一個全面的“參考資料庫”，對哺乳動物初級運動皮層中發現的多種型別的細胞進行了編目和表徵，描述了它們的比例、空間分佈、解剖學和生理學特徵和分子遺傳圖譜。這項工作代表了關鍵的一步，它將大大加快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細胞結構和功能的研究工作奠定了基礎。未來研究將努力瞭解大腦如何成熟和發育，以及不同細胞型別在創造複雜思維和行為中所起的作用。

編輯：黃磊

稽核：王小龍