作者:张佳欣 来源:科技日报 发布时间:2023/10/23 9:27:18
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最全脑细胞“普查”从单细胞层面解析人脑组织结构

 

当科学家第一次在显微镜下观察大脑组织时,他们看到的是难以捉摸、杂乱无章的混沌状态。

19世纪,现代神经科学之父圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔将这种体验比作“走进了拥有千亿棵树的森林”。多年来,他试图写一本带插图的“森林实地指南”。

如今,科学家已经有了该“指南”的初稿。10月12日,刊发在新一期美国《科学》《科学进展》和《科学·转化医学》杂志上的21篇论文公布并阐释了迄今为止最全面的人类脑细胞图谱。

整个研究工作是美国国立卫生研究院“推进创新神经技术脑研究计划”(以下简称“脑计划”)中的“大脑细胞普查网络项目”(BICCN)的一部分。此次发表的论文是数百名科学家利用最先进的分子生物学技术进行的一系列合作研究的成果,从单细胞层面以前所未有的颗粒度解析了人脑的组织结构。这些研究对3000多种人类脑细胞类型进行了特征分析,阐明了某些人类脑细胞与其他灵长类动物脑细胞的区别,将有助于研究大脑认知、疾病和人类之本源等问题。

从小鼠到人脑的单细胞测序

脑细胞或神经元有许多不同类型。

目前在荷兰乌得勒支大学医学中心任职的神经科学家金伯莉·西莱蒂及其团队对覆盖人类大脑106个位置的300多万个细胞进行了核糖核酸(RNA)测序,分析记录了包含3000多个亚型的461个脑细胞大类,为绘制整个图谱奠定了基础。研究发现,神经元和其他细胞类型的组合在每个区域也不同,而一些细胞只在特定的位置被发现。研究还表明,脑干含有特别多的神经元类型,比想象中复杂得多。

美国索尔克生物研究所的分子生物学家约瑟夫·埃克尔及其团队分析了来自3个人脑的超过50万个脑细胞中开启或关闭基因的化学标记物,并根据充当基因开关的各种分子识别出近200种脑细胞类型。精确定位激活或阻断脑细胞基因表达的开关,有助于脑部疾病的诊断和新疗法的开发。研究人员表示,这是首次将最初在小鼠身上开发和应用识别脑细胞亚型的技术应用于人类大脑。

据美国《连线》杂志报道,在“脑计划”的早期阶段,科学家开发了创建小鼠大脑细胞图谱的方法,但将所用技术引入对人类大脑的研究并非易事。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心青年研究员孙怡迪告诉科技日报记者,此前,识别脑细胞亚型的单细胞测序技术一般用于小鼠等实验动物,这是因为它对取样细胞的活性和质量要求极高,而人脑样本只能来自已故的捐赠者或脑手术患者,这些样本的新鲜度和数量有限。因此对科学家而言,使用单细胞测序技术分析人脑是一个挑战。同时,人脑组织在取样和处理过程中可能会受到更多损伤,或将影响结果的准确性。

此外,人类大脑比小鼠等实验动物的大脑要复杂得多,人类大脑的体积约是小鼠大脑的15倍,神经元数量是小鼠的1000倍,要获得全面的单细胞数据,需要大规模测序,难度极大。因此,在索尔克生物研究所的研究中,单细胞测序技术实现了从小鼠到人类的应用,是一个“巨大的飞跃”。

基因开关影响疾病风险

此次研究中,科学家团队分析和描述了来自每个细胞的两种信息——基因表达(转录组)和DNA结构(表观基因组),能够对处于不同发育阶段的细胞类型进行分类。

深圳华大生命科学研究院脑科学主任科学家、研究员刘石平告诉记者,细胞的功能是由细胞内部不同层面的信息以及它所处的微环境共同决定的,而细胞内部不同层面的信息包括了DNA序列结构、DNA表观结构、基因转录组的表达、蛋白的表达等等。因此,上述两种信息是决定细胞功能的核心信息之一,对于绘制脑图谱至关重要。

此次,美国加利福尼亚大学圣迭戈分校分子生物学家任兵及其团队致力于在分子水平上理解细胞类型的差异,有助于理解大脑的工作原理、开发治疗神经疾病及精神疾病的新方法。

他们对来自3位捐赠者的100多万个脑细胞如何获取和使用遗传信息进行了分析,结果发现了某些脑细胞类型与包括双相情感障碍、抑郁症和精神分裂症等在内的神经疾病、精神疾病之间的联系。他们还在42个不同的大脑区域识别出了100多种不同的细胞类型,远超团队预期。

该团队使用细胞类型数据来预测基因开关如何影响基因调控,以及是否增加了患神经疾病、精神疾病的风险。例如,在清除死亡或受损细胞的小胶质细胞中,一些基因开关的存在与患阿尔茨海默病的风险密切相关。这些发现提示我们特定的基因或有缺陷的基因开关或许直接导致了疾病的发生。

任兵告诉《自然》杂志,目前的研究只是个开始,BICCN团队的下一步是对大脑各个部位的更多细胞进行测序。研究人员还将使用更多的组织样本来绘制人类大脑如何随人群和年龄组变化的图谱。

是什么让人类与众不同

科学界长期以来存在的一个谜团是,1亿多个神经元如何形成协同工作的网络,影响着每个人的思想、情感和行为。

美国艾伦脑科学研究所的科学家团队利用单细胞转录组学技术,研究了单个脑细胞中开启的基因,揭示了惊人的细胞类型多样性:我们有3000多种不同的脑细胞。

该团队研究人员分析了75名个体大脑皮层细胞的基因表达,只发现了微小的差异,导致这些差异的原因在于年龄、性别、血统以及是否具有遗传性等。

研究还分析了内侧颞回细胞的基因表达,该区域对于人类、黑猩猩、大猩猩、猕猴和狨猴的语言理解至关重要。研究人员观察到,所有这些灵长类动物都拥有几乎相同的细胞类型,这些细胞类型在它们进化的某个时间点出现,并随着进化而保留下来。只有几百个基因显示出仅在人类身上才能看到的表达模式。这些数据表明,狨猴和人类之间的明显差异源于一些分子和细胞的变化。

研究人员观察了人类大脑皮层不同区域的各种细胞类型,发现我们处理所见事物的视觉皮层比其他区域更加专业化和独特,也比小鼠视觉皮层更加专业化。这一发现可能表明,人类比其他哺乳动物更依赖视觉。

《科学》杂志上的系列论文还包括对出生前和出生后人类大脑发育关键时刻的细胞的研究。了解这些“时刻”可以帮助科学家制作更好的模型来研究人脑,并有助于更好地理解哪些动物模型可以帮助我们增进对大脑的了解。

科学家为何如此关注大脑皮层?孙怡迪告诉记者,大脑皮层被认为与高级认知功能如学习、记忆、语言、决策和情感等密切相关。研究大脑皮层有助于揭示这些功能的基础机制。了解大脑皮层的结构还可以帮助我们更好地理解信息处理的方式。

刘石平在接受采访时告诉记者,这项研究也说明,进行跨物种的脑研究,能够更容易了解人类自身的特性,有望解开为何人类大脑如此特殊,甚至人类高级认知功能演化机制的谜题。

(原题:走进拥有千亿棵树的“脑森林”)

 
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