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脑科学的新时代：科学家绘制了至今最大的人类脑细胞图谱

2023-10-30 11:39

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

Via：freepik

作者 | Gemma Conroy

翻译 | Caroline

审校 | 酷炫脑

美工 | Jenny

编辑 | YJ

研究人员绘制了至今最大的人类脑细胞图谱，揭示了3000多种细胞类型，其中许多是科学界的新发现。

这一研究成果发表在《科学》（Science）、《科学进展》（Science Advances）和《科学转化医学》（Science Translational Medicine）等期刊上，共涉及了21篇论文。

Via：对数千种脑细胞的深入了解可以提高对疾病和认知的理解。图片来源:Naeblys/Getty Images

这一庞大的细胞图谱提供了对已知最复杂器官——大脑——的详尽描述。澳大利亚墨尔本弗洛里神经科学与心理健康研究所的神经科学家安东尼·汉南（Anthony Hannan）表示，这一成果具有深远的意义，因为虽然以前曾尝试通过磁共振成像等技术绘制人脑图谱，但这是首个单细胞水平的全人脑图谱，展示了人脑内错综复杂的分子相互作用，为更好地理解人类大脑打下了基础。

这项研究是美国国立卫生研究院的"通过推进创新神经技术进行大脑研究计划--细胞普查网络（BICCN）"的一部分，由数百名科学家合作开展。该计划的目标包括对人类、非人灵长类动物和小鼠的脑细胞类型进行编目，以加深人们对鲜为人知的脑部疾病背后的细胞机制的了解。这21项研究的数据已在神经科学多原子档案在线存储库中公开发布。

现就职于荷兰乌得勒支大学医学中心的神经科学家金伯利·西莱蒂（Kimberly Siletti）和她的团队利用三位已故男性捐献者的组织样本，对覆盖整个人类大脑的 106 个部位的 300 多万个单个细胞的 RNA 进行了测序，从而为该图集奠定了基石。此外，他们还从一名女性捐献者身上提取了一个运动皮层解剖样本，该样本曾在之前的研究中使用过。他们的分析记录了461大类脑细胞，其中包括3000多种亚型。金伯利·西莱蒂表示：“我对存在这么多不同的细胞类型感到惊讶。”

神经元是大脑和神经系统中传递和接收信号的关键细胞，它们在大脑不同部位之间的差异很大，表明它们具有不同的功能和发育历史。此外，不同脑区内神经元和其他细胞类型的组合也各不相同，有些细胞只存在于特定的位置。瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的分子系统生物学家斯滕·林纳尔松（Sten Linnarsson）指出，脑干是连接大脑和脊髓的结构，但以前相对较少受到研究，“脑干的复杂性真的让人难以置信。”

Via：背景描绘了从活脑切片中获得的重建神经元的三维渲染图。颜色和形状的多样性代表了构成人类大脑的各种各样的神经元亚型。图片来源science杂志

其他研究深入探讨了不同细胞中基因调控和表达的机制。位于加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所分子生物学家约瑟夫·埃克（Joseph Ecker）和他的同事利用来自同三名捐献者的组织样本，从表观遗传学的角度对大脑进行了研究。他们分析了 50 多万个细胞中开启或关闭基因的化学标记。通过这些起开关作用的各种分子，研究小组确定了近 200 种脑细胞类型。即使是同一种类型的细胞，其在大脑中的基因表达也可能因不同脑区而异。索尔克研究所的计算生物学家田伟（音译）指出：“不同脑区之间存在明显的差异。”

埃克指出，准确操控脑细胞基因表达的开关可能对脑部疾病的诊断和有针对性治疗方法的发展提供帮助。他表示：“这是我们目前正在构建的工具中的又一个重要利器。”

关于疾病风险，加州大学圣迭戈分校的分子生物学家任兵及其研究团队致力于了解基因开关如何可能导致不同神经精神疾病（包括躁郁症、抑郁症和精神分裂症）的发病风险。他们通过分析三名捐献者的100多万个脑细胞，深入研究了这些细胞如何获取和运用遗传信息。研究人员发现了特定脑细胞类型与不同神经精神疾病之间存在关联。

任兵和他的团队运用细胞类型数据，预测了基因开关如何影响基因调控并增加神经系统疾病的风险。例如，在清除死亡或受损细胞的小胶质细胞中，某些基因开关的存在与阿尔茨海默病的风险密切相关。这些结果有助于确定特定基因或错误开关是否直接导致疾病的发生。任兵表示：“我们之所以能够做到这一点，是因为我们首次确定了数百种不同细胞类型的基因开关。”

任兵还指出，BICCN 团队的下一步工作将包括对大脑中更多部位的细胞进行测序。研究人员还计划使用更多的组织样本，以更好地理解人脑在不同人群和年龄段之间的变化情况。他说：“这只是我们迈出的第一步。”