研究人员创建了哺乳动物大脑的突破性细胞图谱，详细介绍了成年小鼠大脑中的5,300多种细胞类型。该图谱源自广泛的研究，是了解大脑功能和进化的重要一步，并有望为脑部疾病的精确治疗带来希望。
高分辨率图谱绘制了 5,300 多种细胞类型的神经邻域图。
六年后，3200万个细胞，科学家们创建了第一个哺乳动物大脑的完整细胞图谱。在今天发表在《自然》杂志上的一组10篇论文中，一个研究人员网络公布了一张图谱，对成年小鼠大脑中每个细胞的位置和类型进行了分类。使用分析单个细胞的先进技术，这些团队确定了5,300多种细胞类型 – 远远超过以前已知的 – 并确定了它们在大脑错综复杂的地理环境中的位置。
揭开大脑复杂结构的面纱
拥有完整的大脑“零件清单”将有助于加快解开其工作原理的努力，艾伦脑科学研究所执行副总裁兼主任Hongkui Zeng博士说。
“这是一项具有里程碑意义的成就，真正为下一阶段的大脑功能，发育和进化研究打开了大门，类似于研究基因功能和基因组进化的参考基因组，”领导其中一项研究的Zeng说。“我的同事们说，我们确定的5000种细胞类型将使神经科学家在未来20年内忙于弄清楚这些细胞类型的作用以及它们在疾病中的变化。
根据其基因的表达对整个小鼠大脑中的细胞类型进行详细分类和分布。已经鉴定出 5000 多种细胞类型，可以根据它们之间的相似性进行分组。将每个组绘制为UMAP，以突出显示特定组中细胞类型之间的关系，并且每个组都可以分配到特定的解剖位置。
根据其基因的表达对整个小鼠大脑中的细胞类型进行详细分类和分布。已经鉴定出 5000 多种细胞类型，可以根据它们之间的相似性进行分组。将每个组绘制为UMAP，以突出显示特定组中细胞类型之间的关系，并且每个组都可以分配到特定的解剖位置。
Zeng说，该图谱的主要启示之一是细胞的遗传身份与其空间位置之间的深刻联系。这种关系强调了位置如何塑造功能，为不同大脑区域的进化历史和错综复杂的相互作用提供了线索。
“我们看到了大脑回路的组成部分，”她说。“大脑的组织可能反映了它的进化历史。
一个有趣的发现是大脑的下部（“腹侧”）与上部（“背侧”）之间有明显的细胞组织。虽然古老的腹侧部分具有相互关联的细胞的马赛克，但最近的背侧部分包含较少但高度不同的细胞类型。Zeng说，这种区别可能是破译不同大脑区域如何进化出独特角色的关键，例如，腹侧部分用于基本生存，背侧部分用于适应。
揭开细胞通讯的秘密
研究人员还发现，转录因子（调节基因活性的蛋白质）由指定细胞身份的“代码”组成。
该图谱还揭示了脑细胞如何通过各种信号分子相互交谈，这些信号分子将信息从一个细胞传递到另一个细胞。这种多样性使不同细胞类型之间的复杂相互作用成为可能。
Zeng说，独立收集的基因组、表观基因组和空间数据集之间的强一致性提供了高度的信心，即该图谱绘制的不仅仅是细胞身份，它还捕获了哺乳动物大脑发育背后的真正组织蓝图。
前进的道路：应用和扩展
展望未来，该图谱可以作为其他物种（即我们自己的物种）大脑中类似映射的模型。这项工作已经在进行中。
它还提供了遗传靶向特定细胞类型的指南，使工具能够研究特定功能和疾病。Zeng说，这可能为精确治疗铺平道路。
“我们知道许多疾病起源于大脑的特定部位，可能起源于特定的细胞类型，”她说。“有了这张地图，我们可以更精确地了解疾病的功能障碍，然后创建遗传或药理学工具来靶向这些特定的细胞类型，以实现更高的疗效和最小的副作用。
对脊髓研究的贡献
艾伦研究所的科学家还共同领导了一项研究，以创建连接大脑和脊髓的神经元的详细图谱，从而实现运动和感觉调节。在这项研究中，由哈佛大学的何志刚博士和医学博士Carla Winter领导的团队提供了迄今为止最深入的这些脊柱投射神经元（SPN）的特征。通过将这些神经元的分子身份和位置整合到一个图谱中，科学家们可以深入了解这个复杂的网络如何控制功能和运动。“通过拥有这些细胞类型的基线图谱，我们现在可以研究脊髓损伤或中风如何改变它们，并希望开发靶向疗法，”温特说。
艾伦研究所的科学家为其他五项研究做出了贡献，包括：
整个小鼠大脑中细胞类型的空间图谱。在这项研究中，由哈佛大学的Xiaowei Zhuang博士领导，科学家们使用>1,100个基因的空间分辨转录组学分析来揭示整个小鼠大脑中>5,000个转录不同的簇的空间组织。将细胞图谱注册到艾伦公共坐标框架可以量化每个大脑区域的细胞类型组成和组织。高分辨率空间图揭示了数百对细胞之间的细胞间相互作用和分子基础。
不同物种（包括人类）的基因调控程序的比较。在这项研究中，研究人员分析了DNA的某些区域，这些区域就像开关一样，打开或关闭基因并控制细胞的身份。研究小组发现，所谓的跳跃基因 – 可以在基因组中飞来飞去的DNA序列 – 构成了新皮层中人类特异性“开关”的大部分。作者说，由于这些相同的区域也可能涉及神经退行性疾病，进一步的研究可以为新疗法指明道路。“这些数据是遗传学家的金矿，他们现在可以开始发现精神分裂症等复杂特征的分子基础，”加州大学圣地亚哥分校的Bing 任博士说，他与索尔克研究所的Joseph Ecker博士共同领导了这项研究。
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