美國“腦計劃”的細胞普查項目(BICCN)繪制了哺乳動物(小鼠、猴子和人類)初級運動皮層的細胞類型圖譜和神經(jīng)元解剖接線圖。該圖譜為更深入地研究哺乳動物大腦其余部分的細胞類型奠定了基礎。這些發(fā)現(xiàn)以17篇論文的形式發(fā)表在《自然》雜志專輯上。

美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)院長弗朗西斯·柯林斯表示：“由于這項開創(chuàng)性的合作研究，我們現(xiàn)在對大腦運動皮層的細胞及其基本功能特性有了全面了解。該圖譜將為未來研究物種內(nèi)部和跨物種大腦的結(jié)構(gòu)和功能提供跳板。”

人類能全面了解自己的大腦嗎

人腦是一個極其復雜的器官，由大約1000億個神經(jīng)元、大致相同數(shù)量的非神經(jīng)元細胞和數(shù)萬億個神經(jīng)連接組成。盡管所有人都具有相同的一般大腦結(jié)構(gòu)，但多種環(huán)境和遺傳因素會影響我們大腦的發(fā)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(jīng)歷。

全面了解構(gòu)成大腦的所有細胞類型、它們的特征以及它們在個體之間的差異，對于理解是什么讓我們?nèi)祟惻c眾不同至關重要。了解在大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展中起作用的因素，也是了解精神分裂癥、成癮、癲癇癥和阿爾茨海默病等疾病如何發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

NIH神經(jīng)系統(tǒng)疾病和中風研究所所長瓦爾特·科洛謝茨表示，現(xiàn)在人們迫切需要開發(fā)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，通過基因組療法，使精確靶向細胞類型和神經(jīng)網(wǎng)絡成為可能，從而治療那些影響人們思維、記憶、情緒和運動的疾病。

為深入了解大腦提供前所未有的細節(jié)

過去10年的科學進步，使研究人員從僅能分析腦細胞的物理特征，轉(zhuǎn)向研究細胞功能背后的分子特征。研究人員現(xiàn)在可以檢視轉(zhuǎn)錄組(細胞中完整的基因讀數(shù)集，其中包含制造蛋白質(zhì)和其他細胞產(chǎn)物的信息)和細胞的表觀基因組(對細胞DNA的化學修飾集，它改變了細胞遺傳信息的表達方式)。技術創(chuàng)新已擴展到可對數(shù)千萬個單細胞進行快速、經(jīng)濟、高效的分析，以更好地了解大腦的組成部分。

這些科學進步為研究人員提供了前所未有的細節(jié)，可以更深入地了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能。2017年，BICCN匯集了研究團隊，協(xié)同開發(fā)了人腦、猴腦和小鼠腦中細胞類型的綜合參考圖譜。他們對哺乳動物大腦的不同細胞進行編目和繪制圖譜，就像人口普查員記錄個人的統(tǒng)計和地理特征一樣。研究人員專注于初級運動皮層，這是一個參與控制復雜運動的大腦區(qū)域，已知在哺乳動物中具有相似性。

在當前的一系列研究中，研究人員使用從運動皮層的數(shù)百萬個細胞中獲得的一系列單細胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組測量值來創(chuàng)建跨物種、數(shù)據(jù)驅(qū)動的腦細胞類型框架;結(jié)合電生理學、形態(tài)學和電路追蹤方法來表征所發(fā)現(xiàn)的腦細胞類型;用來自單細胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組分析的數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)的許多不同細胞類型。重要的是，這項工作不僅僅是描繪細胞類型的綱要，它還確定了能精確監(jiān)測和調(diào)節(jié)特定細胞神經(jīng)活動的遺傳工具。

研究人員在小鼠、猴子和人類中發(fā)現(xiàn)了相似的細胞類型，同時也發(fā)現(xiàn)了基因表達的重要差異，這可能是這3個物種處理神經(jīng)信息方式發(fā)生變化的原因。

研究者從此有了大腦“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，通過對來自多種尖端技術的數(shù)據(jù)進行令人印象深刻的整合，BICCN創(chuàng)建了一個全面的“參考資料庫”，對哺乳動物初級運動皮層中發(fā)現(xiàn)的多種類型的細胞進行了編目和表征，描述了它們的比例、空間分布、解剖學和生理學特征以及分子遺傳圖譜。這項工作代表了關鍵的一步，將大大加快人們了解大腦的進展速度。

這些初步結(jié)果為未來深入研究哺乳動物大腦的細胞結(jié)構(gòu)和功能奠定了基礎。未來研究將努力了解大腦如何成熟和發(fā)育，以及不同細胞類型在創(chuàng)造復雜思維和行為中所起的作用。