大脑深处的“秘密”，以详细的细胞图谱启发新一代脑部疾病治疗

2023-10-23 14:58 · 生物探索

绘制大脑细胞图谱是了解这一重要器官在健康和疾病中如何发挥作用的关键一步

导语：一组国际科学家绘制了人类大脑和非人类灵长类动物大脑的遗传、细胞和结构构成图。此次对大脑结构的掌握有助于我们更深入地从细胞层面了解大脑功能和功能障碍，并有助于为具有精神障碍和其他脑科疾病患者的新一代精准治疗铺平道路。

近日，国际科学家们绘制了人类大脑和非人类灵长类动物大脑的遗传、细胞和结构构成图。这项研究在美国国立卫生研究院"通过推进创新神经技术进行脑研究计划"（BRAIN Initiative）的资助下进行，可以从细胞层面更深入地了解大脑功能和功能障碍，并有助于启发对具有精神障碍和其他脑科疾病患者的新一代精准治疗。研究结果在《科学》、《科学进展》和《科学转化医学》等 24 篇论文中进行了发表。

“绘制大脑细胞图谱是了解这一重要器官在健康和疾病中如何发挥作用的关键一步，”美国国家心理健康研究所所长Joshua A. Gordon博士表示：“这些全新的、详细的人类和非人类灵长类动物大脑的细胞图谱，它为设计新疗法奠定了基础，这些新疗法可以针对与大脑疾病有关的特定脑细胞和回路。”

最新的一期BICCN（BRAIN Initiative Cell Census Network）合集中的 24 篇论文详细介绍了人类大脑和非人类灵长类动物大脑中异常复杂的细胞多样性。这些研究识别了人类大脑和非人类灵长类动物大脑中细胞组织方式及基因调节方式的相似性和差异性。

该合集中的3篇论文展示了成人大脑中的第一个细胞图谱，绘制了大脑的转录和表观基因组图谱。转录组是指细胞中完整的基因读数集，其中包含制造蛋白质和其他细胞产物的指令。表观基因组是指对细胞 DNA 和染色体的化学修饰，这些修饰改变了细胞遗传信息的表达方式。

在另一篇论文中，通过对比人类大脑和几种非人类灵长类动物大脑（黑猩猩、大猩猩、猕猴和狨猴）的细胞和分子特性，文章揭示了二者在大脑皮层细胞的类型、比例和空间组织方面的明显相似性。通过对跨物种皮层细胞基因表达的检查，人类谱系中基因表达相对较小的变化可导致神经元接线和突触功能的变化，这可能使人类大脑具有更大的可塑性，并支持人类大脑的适应、学习和改变能力。

一项探索狨猴的不同大脑区域细胞如何变化的研究发现，成年的大脑细胞的特性与发育过程中的那些细胞的特性之间存在联系。这种联系表明，当细胞形成并维持到成年时，发育程序就嵌入到细胞中，并且成年人中一些可观察到的细胞特性可能起源于生命的早期。这一发现很可能会让科学家对整个生命周期的大脑发育和功能产生新的见解。

对新皮质最外层神经元的解剖学和生理学的探索揭示了人类大脑与小鼠大脑的差异，新皮质是大脑中涉及认知、运动命令和语言等高阶功能的部分。研究表明该区域可能是一个进化热点，其变化反映了调节更复杂大脑回路的更高需求。

BICCN 的核心目标是了解大脑细胞构成并开发大脑细胞的全面库存的一项突破性工作——它们在哪里、它们如何发育、它们如何协同工作以及它们如何调节它们的活动——更好地了解大脑疾病如何发生、进展以及如何得到最佳治疗。

BICCN项目绘制的人类初级运动皮层细胞图谱（来源：Allen Institute）

NIH BRAIN Initiative主任 John Ngai博士说：“这一系列研究表明在细胞层面阐明人脑的复杂性取得了里程碑式的成就。通过 BICCN 建立的科学合作正在以指数倍推动该领域向前发展，其进展和可能性令人惊叹。”

本论文合集中对人类大脑和非人类灵长类动物大脑中脑细胞类型的普查是开发未来大脑治疗的关键一步。这些发现还为“脑计划全细胞图谱网络”（BRAIN Initiative Cell Atlas Network）奠定了基础。“脑计划全细胞图谱网络”是一个具有变革性的项目，与其他两个大型项目“脑计划跨尺度连接”和“精准脑细胞访问设备中心”一起，旨在通过说明控制行为回路基础的基本原理并提供治疗人类大脑疾病的新方法来彻底改变神经科学的研究。

关键词：细胞图谱