大腦是宇宙中最復(fù)雜的存在。近幾十年來美國、歐盟相繼開啟了大腦研究計劃。前不久，Nature 連發(fā)16篇重磅論文，發(fā)布了史上最全大腦運(yùn)動皮層細(xì)胞圖譜，這是否意味關(guān)于大腦的真相近在咫尺了呢？

首先，來做個簡單的動作：把手放在額頭前面。

就像這樣：

簡單吧？但就這么個動作，需要調(diào)動大腦中幾個區(qū)域數(shù)百萬個不同神經(jīng)元。神經(jīng)元信號以超過300公里的時速從大腦發(fā)送到脊髓，通過控制肌肉，來實(shí)現(xiàn)手臂移動。

實(shí)際上，在細(xì)胞層面上，這種快速移動的動作是一個高度復(fù)雜的過程。而且，和多數(shù)與大腦活動有關(guān)的事情類似，人們并不完全了解這些活動的具體機(jī)制。

換句話說，我們自己的大腦，對于今天的我們還是非常神秘的存在。

為了解開大腦的秘密，2017年，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）通過推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)，開啟了「大腦細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目」(BICCN)，旨在對人類、猴子和小鼠大腦中的不同細(xì)胞類型進(jìn)行全面識別和編目。

現(xiàn)在，這項(xiàng)雄心勃勃的努力的第一步已經(jīng)完成，研究人員在分子水平上全面繪制出了哺乳動物初級運(yùn)動皮層細(xì)胞類型的特征圖。

這是迄今為止對哺乳動物大腦所繪制的最全面、最細(xì)致的地圖。

近日，Nature上一口氣發(fā)表了16篇這一項(xiàng)目的研究論文。

這個成果可謂意義非凡。此次繪制出的大腦圖譜，將幫助人類更好地理解大腦疾病，包括那些攻擊控制運(yùn)動神經(jīng)元的疾病，如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等。

此次主要完成的是對初級運(yùn)動皮層的逐個細(xì)胞級的圖譜繪制。而之所以選擇初級運(yùn)動皮層，是因?yàn)檫@部分大腦結(jié)構(gòu)在所有哺乳動物中都很相似。

人類（左）、狨猴（中）和小鼠大腦（右）中按腦細(xì)胞類型聚類的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)

盡管人類、猴子和老鼠的大腦之間存在許多差異，但我們控制運(yùn)動的方式實(shí)際上是非常相似的。初級運(yùn)動皮層是哺乳動物大腦的外層，不僅整合了感覺和運(yùn)動信息，還產(chǎn)生了復(fù)雜的認(rèn)知功能。

此次完成的「大腦圖譜」是「大腦細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)」(BICCN) 項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目的此次重大階段性成果，標(biāo)志著我們對所有類型的腦細(xì)胞進(jìn)行編目的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。

和人口普查類似，細(xì)胞普查的對象是所有不同類型的腦細(xì)胞，考察它們的特征、相對比例和物理地址，并將結(jié)果編成目錄，以了解共同構(gòu)成我們大腦的細(xì)胞群。

只有了解腦細(xì)胞的構(gòu)成，才能更好地理解大腦的工作原理，進(jìn)而了解疾病的機(jī)理。

「如果我們真的想了解大腦是如何工作的，就必須深入了解大腦的基本單位。也就是腦細(xì)胞」艾倫腦科學(xué)研究所高級研究員、BRAIN Initiative 研究的首席研究員 Ed Lein 博士說。

曾紅葵

曾紅葵博士是艾倫腦科學(xué)研究所執(zhí)行副總裁兼所長。她表示：「一個人的大腦中的細(xì)胞數(shù)量超過1600億，比世界上的人口總數(shù)還多出20多倍。」

她將大腦比做一個系統(tǒng)。

「要了解一個系統(tǒng)如何工作，首先需要建立一個零件清單。然后你必須了解每個零件負(fù)責(zé)做什么事，再將這些零件組合在一起，了解整個系統(tǒng)是如何工作的。這就是現(xiàn)在我們對大腦所做的事情。」她說。

小鼠初級運(yùn)動皮層中不同類型的神經(jīng)元和其他腦細(xì)胞的組織圖

在技術(shù)上，研究人員通過名為「Patch-seq」 的技術(shù)從活的人類神經(jīng)元中獲取電信息，并獲得其3D 形狀和基因表達(dá)。

上圖所示為哺乳動物大腦最外層新皮層內(nèi)側(cè)顳回中的幾種不同類型的神經(jīng)元

研究人員使用了幾種不同的方法來測量各種腦細(xì)胞的特征，對這些特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)和整合，正是這些特征定義了腦細(xì)胞的類型。

這些特征包括控制細(xì)胞開關(guān)的完整基因組；一個細(xì)胞的「表觀遺傳圖」，它定義了基因的調(diào)控方式、細(xì)胞的 3D 形狀、電氣特性、以及與其他細(xì)胞的連接方式等。

單細(xì)胞基因表達(dá)和表觀遺傳數(shù)據(jù)之所以如此重要，是因?yàn)檠芯咳藛T能夠通過整合數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個細(xì)胞分類的通用框架，并在物種內(nèi)和物種間進(jìn)行比較。

「目前對于大腦疾病研究的局限之一是，我們對疾病影響了哪些細(xì)胞、這些細(xì)胞間的連接方式還不夠了解，因此無法準(zhǔn)確發(fā)力。」美國國立衛(wèi)生研究院 BRAIN 計劃主任 John Ngai 博士說。

Ngai表示，本次研究成果提供了有關(guān)構(gòu)成大腦的細(xì)胞類型及其特性的詳細(xì)信息，最終將有助于開發(fā)大腦和精神疾病的新療法。

參考鏈接：

https://alleninstitute.org/what-we-do/brain-science/news-press/press-releases/ultra-detailed-map-brain-region-controls-movement-mice-monkeys-humans

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02493-8

Nature 論文合輯：

https://www.nature.com/collections/cicghheddj

本文來自微信公眾號“新智元”（ID:AI_era），來源：Nature，編輯：David、霜葉，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。