逐个细胞揭开哺乳动物大脑的神秘面纱

一组科学家，包括哈佛大学的几位科学家，通过在分子水平上对所有数千种不同的细胞类型进行分类和绘制，比以往任何时候都更深入地研究了哺乳动物的大脑。

研究人员通过一系列10篇论文在《自然》杂志上报告了他们的工作，其中6篇论文来自哈佛大学。这是美国国立卫生研究院“通过推进创新神经技术进行大脑研究”计划的一部分，该计划迄今为止主要针对小鼠;未来的阶段将转向人类和其他灵长类动物。

哺乳动物的大脑容纳了数十亿个细胞，每个细胞都由它们表达的基因定义。这种复杂性就是为什么对许多大脑功能(包括神经系统疾病背后的分子机制)的真正理解仍然如此难以捉摸。

为了创建第一个分子定义的整个小鼠大脑细胞图谱，由哈佛大学庄晓伟领导的团队识别并绘制了数千种独特的细胞类型的空间图谱，其中大多数细胞类型以前从未被表征过。

“我们鉴定出了5,000个转录上不同的细胞群，”大卫·B·阿诺德(DavidB.Arnold)科学教授兼霍华德·休斯(HowardHughes)医学研究员庄说。“可以说，我们发现的多样性水平确实非常出色。”

全脑细胞类型图谱对细胞、它们的分布和相互作用进行了分类，可以作为科学家研究某些大脑功能或疾病的起点。有一天，地图集的基本轮廓可以应用于比小鼠大脑大1000倍的人类大脑。

“看到以前看不到的东西让我感到非常兴奋。当我们的技术被这么多实验室使用时，我也很兴奋。”庄说，她指的是多重误差鲁棒荧光原位杂交(MERFISH)，这是她实验室开发的一种基因组规模成像技术。

Zhuang和她的团队与艾伦脑科学研究所的科学家合作，将MERFISH与单细胞RNA测序数据结合使用，不仅可以识别每种细胞类型，还可以对它们进行原位成像。他们的工作提供了有关这些细胞类型的分子特征以及它们在大脑中的位置的新信息。结果是一幅关于小鼠大脑完整细胞、它们的基因表达活动以及它们的空间关系的令人惊叹的详细图片。

在Nature论文中，研究人员使用MERFISH对一组1,100个基因进行成像，确定了大约1000万个细胞的基因表达谱，这些基因是使用艾伦研究所合作者提供的单细胞RNA测序数据进行选择的。

视网膜研究结果可能促进青光眼研究

在《自然》系列的另一篇论文中，JeffC.Tarr分子和细胞生物学教授JoshuaSanes共同领导的一个团队对脊椎动物视网膜的进化史有了新的见解。

视网膜是大脑的一部分，位于眼睛内，拥有复杂的神经回路，可以接收视觉信息，然后将其传输到大脑的其他部分进行进一步处理。不同物种的视网膜在功能上有很大不同——例如，人类狩猎采集者进化出了敏锐的白天视力，而老鼠则拥有比人类更好的夜视能力;有些动物看到的是彩色的，而另一些动物则主要看到的是黑白的。

但在分子水平上，视网膜到底有多大不同?Sanes与加州大学伯克利分校和布罗德研究所的研究人员合作，对17个物种的视网膜细胞类型进行了新的比较分析，包括人类、鱼类、小鼠和负鼠。利用单细胞RNA测序，研究人员能够通过基因表达谱来区分视网膜细胞的类型，他们的发现颠覆了一些长期以来关于某些物种视觉系统如何进化的观点。

一项引人注目的发现涉及所谓的“侏儒视网膜神经节细胞”，在人类中，这种细胞将90%的信息从眼睛传递到大脑。这些细胞为人类提供了精细的视觉，它们的变化与青光眼等眼部疾病有关。在小鼠体内尚未发现相关细胞，因此它们被认为是灵长类动物所独有的。

在他们的分析中，萨内斯和团队首次在包括小鼠在内的许多其他物种中确定了侏儒视网膜神经节细胞的明确亲属，尽管比例要小得多。由于小鼠是研究青光眼的常见模型动物，因此能够精确定位这些细胞是一个潜在的重要见解。

“我认为我们可以提出一个非常令人信服的案例，如果你想研究小鼠体内这些重要的人类视网膜神经节细胞，这些就是你想要研究的细胞，”萨内斯说。