走進(jìn)擁有千億棵樹的“腦森林”

張佳欣

19世紀(jì)，現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)之父圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾將這種體驗(yàn)比作“走進(jìn)了擁有千億棵樹的森林”。多年來，他試圖寫一本帶插圖的“森林實(shí)地指南”。

如今，科學(xué)家已經(jīng)有了該“指南”的初稿。

當(dāng)科學(xué)家第一次在顯微鏡下觀察大腦組織時(shí)，他們看到的是難以捉摸、雜亂無章的混沌狀態(tài)。

19世紀(jì)，現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)之父圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾將這種體驗(yàn)比作“走進(jìn)了擁有千億棵樹的森林”。多年來，他試圖寫一本帶插圖的“森林實(shí)地指南”。

如今，科學(xué)家已經(jīng)有了該“指南”的初稿。10月12日，刊發(fā)在新一期美國(guó)《科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》和《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上的21篇論文公布并闡釋了迄今為止最全面的人類腦細(xì)胞圖譜。

整個(gè)研究工作是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“腦計(jì)劃”）中的“大腦細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目”（BICCN）的一部分。此次發(fā)表的論文是數(shù)百名科學(xué)家利用最先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行的一系列合作研究的成果，從單細(xì)胞層面以前所未有的顆粒度解析了人腦的組織結(jié)構(gòu)。這些研究對(duì)3000多種人類腦細(xì)胞類型進(jìn)行了特征分析，闡明了某些人類腦細(xì)胞與其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦細(xì)胞的區(qū)別，將有助于研究大腦認(rèn)知、疾病和人類之本源等問題。

腦細(xì)胞或神經(jīng)元有許多不同類型。

目前在荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心任職的神經(jīng)科學(xué)家金伯莉·西萊蒂及其團(tuán)隊(duì)對(duì)覆蓋人類大腦106個(gè)位置的300多萬個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了核糖核酸（RNA）測(cè)序，分析記錄了包含3000多個(gè)亞型的461個(gè)腦細(xì)胞大類，為繪制整個(gè)圖譜奠定了基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元和其他細(xì)胞類型的組合在每個(gè)區(qū)域也不同，而一些細(xì)胞只在特定的位置被發(fā)現(xiàn)。研究還表明，腦干含有特別多的神經(jīng)元類型，比想象中復(fù)雜得多。

美國(guó)索爾克生物研究所的分子生物學(xué)家約瑟夫·?？藸柤捌鋱F(tuán)隊(duì)分析了來自3個(gè)人腦的超過50萬個(gè)腦細(xì)胞中開啟或關(guān)閉基因的化學(xué)標(biāo)記物，并根據(jù)充當(dāng)基因開關(guān)的各種分子識(shí)別出近200種腦細(xì)胞類型。精確定位激活或阻斷腦細(xì)胞基因表達(dá)的開關(guān)，有助于腦部疾病的診斷和新療法的開發(fā)。研究人員表示，這是首次將最初在小鼠身上開發(fā)和應(yīng)用識(shí)別腦細(xì)胞亞型的技術(shù)應(yīng)用于人類大腦。

據(jù)美國(guó)《連線》雜志報(bào)道，在“腦計(jì)劃”的早期階段，科學(xué)家開發(fā)了創(chuàng)建小鼠大腦細(xì)胞圖譜的方法，但將所用技術(shù)引入對(duì)人類大腦的研究并非易事。中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心青年研究員孫怡迪告訴科技日?qǐng)?bào)記者，此前，識(shí)別腦細(xì)胞亞型的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)一般用于小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，這是因?yàn)樗鼘?duì)取樣細(xì)胞的活性和質(zhì)量要求極高，而人腦樣本只能來自已故的捐贈(zèng)者或腦手術(shù)患者，這些樣本的新鮮度和數(shù)量有限。因此對(duì)科學(xué)家而言，使用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)分析人腦是一個(gè)挑戰(zhàn)。同時(shí)，人腦組織在取樣和處理過程中可能會(huì)受到更多損傷，或?qū)⒂绊懡Y(jié)果的準(zhǔn)確性。

此外，人類大腦比小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦要復(fù)雜得多，人類大腦的體積約是小鼠大腦的15倍，神經(jīng)元數(shù)量是小鼠的1000倍，要獲得全面的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，需要大規(guī)模測(cè)序，難度極大。因此，在索爾克生物研究所的研究中，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從小鼠到人類的應(yīng)用，是一個(gè)“巨大的飛躍”。

此次研究中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)分析和描述了來自每個(gè)細(xì)胞的兩種信息——基因表達(dá)（轉(zhuǎn)錄組）和DNA結(jié)構(gòu)（表觀基因組），能夠?qū)μ幱诓煌l(fā)育階段的細(xì)胞類型進(jìn)行分類。

深圳華大生命科學(xué)研究院腦科學(xué)主任科學(xué)家、研究員劉石平告訴記者，細(xì)胞的功能是由細(xì)胞內(nèi)部不同層面的信息以及它所處的微環(huán)境共同決定的，而細(xì)胞內(nèi)部不同層面的信息包括了DNA序列結(jié)構(gòu)、DNA表觀結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)、蛋白的表達(dá)等等。因此，上述兩種信息是決定細(xì)胞功能的核心信息之一，對(duì)于繪制腦圖譜至關(guān)重要。

此次，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校分子生物學(xué)家任兵及其團(tuán)隊(duì)致力于在分子水平上理解細(xì)胞類型的差異，有助于理解大腦的工作原理、開發(fā)治療神經(jīng)疾病及精神疾病的新方法。

他們對(duì)來自3位捐贈(zèng)者的100多萬個(gè)腦細(xì)胞如何獲取和使用遺傳信息進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了某些腦細(xì)胞類型與包括雙相情感障礙、抑郁癥和精神分裂癥等在內(nèi)的神經(jīng)疾病、精神疾病之間的聯(lián)系。他們還在42個(gè)不同的大腦區(qū)域識(shí)別出了100多種不同的細(xì)胞類型，遠(yuǎn)超團(tuán)隊(duì)預(yù)期。

該團(tuán)隊(duì)使用細(xì)胞類型數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)基因開關(guān)如何影響基因調(diào)控，以及是否增加了患神經(jīng)疾病、精神疾病的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在清除死亡或受損細(xì)胞的小膠質(zhì)細(xì)胞中，一些基因開關(guān)的存在與患阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)提示我們特定的基因或有缺陷的基因開關(guān)或許直接導(dǎo)致了疾病的發(fā)生。

任兵告訴《自然》雜志，目前的研究只是個(gè)開始，BICCN團(tuán)隊(duì)的下一步是對(duì)大腦各個(gè)部位的更多細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序。研究人員還將使用更多的組織樣本來繪制人類大腦如何隨人群和年齡組變化的圖譜。

科學(xué)界長(zhǎng)期以來存在的一個(gè)謎團(tuán)是，1億多個(gè)神經(jīng)元如何形成協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)，影響著每個(gè)人的思想、情感和行為。

美國(guó)艾倫腦科學(xué)研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，研究了單個(gè)腦細(xì)胞中開啟的基因，揭示了驚人的細(xì)胞類型多樣性：我們有3000多種不同的腦細(xì)胞。

該團(tuán)隊(duì)研究人員分析了75名個(gè)體大腦皮層細(xì)胞的基因表達(dá)，只發(fā)現(xiàn)了微小的差異，導(dǎo)致這些差異的原因在于年齡、性別、血統(tǒng)以及是否具有遺傳性等。

研究還分析了內(nèi)側(cè)顳回細(xì)胞的基因表達(dá)，該區(qū)域?qū)τ谌祟?、黑猩猩、大猩猩、獼猴和狨猴的語言理解至關(guān)重要。研究人員觀察到，所有這些靈長(zhǎng)類動(dòng)物都擁有幾乎相同的細(xì)胞類型，這些細(xì)胞類型在它們進(jìn)化的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，并隨著進(jìn)化而保留下來。只有幾百個(gè)基因顯示出僅在人類身上才能看到的表達(dá)模式。這些數(shù)據(jù)表明，狨猴和人類之間的明顯差異源于一些分子和細(xì)胞的變化。

研究人員觀察了人類大腦皮層不同區(qū)域的各種細(xì)胞類型，發(fā)現(xiàn)我們處理所見事物的視覺皮層比其他區(qū)域更加專業(yè)化和獨(dú)特，也比小鼠視覺皮層更加專業(yè)化。這一發(fā)現(xiàn)可能表明，人類比其他哺乳動(dòng)物更依賴視覺。

《科學(xué)》雜志上的系列論文還包括對(duì)出生前和出生后人類大腦發(fā)育關(guān)鍵時(shí)刻的細(xì)胞的研究。了解這些“時(shí)刻”可以幫助科學(xué)家制作更好的模型來研究人腦，并有助于更好地理解哪些動(dòng)物模型可以幫助我們?cè)鲞M(jìn)對(duì)大腦的了解。

科學(xué)家為何如此關(guān)注大腦皮層？孫怡迪告訴記者，大腦皮層被認(rèn)為與高級(jí)認(rèn)知功能如學(xué)習(xí)、記憶、語言、決策和情感等密切相關(guān)。研究大腦皮層有助于揭示這些功能的基礎(chǔ)機(jī)制。了解大腦皮層的結(jié)構(gòu)還可以幫助我們更好地理解信息處理的方式。

劉石平在接受采訪時(shí)告訴記者，這項(xiàng)研究也說明，進(jìn)行跨物種的腦研究，能夠更容易了解人類自身的特性，有望解開為何人類大腦如此特殊，甚至人類高級(jí)認(rèn)知功能演化機(jī)制的謎題。