作者:张梦然 来源:科技日报 发布时间:2023/10/13 9:55:23
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新研究为动物大脑绘制完整“接线图”

 

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左图为艾伦脑科学研究所的研究人员。

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右图为通过BARseq技术对小鼠皮层中的神经元进行独特标记(按颜色)。图片来源:艾伦脑研所

在过去的几年里,人们越来越清楚地看到,大脑的大多数计算实际上不是发生在孤立的区域,而是在整个大脑的分布式网络中。因此,如果我们真的要了解大脑计算是如何产生的,就需要了解整个网络,也就是说,要看到整个大脑的连接。

现在,哺乳动物大脑中所有连接的完整图谱可能就在眼前。

美国艾伦脑科学研究所(以下简称“艾伦脑研所”)刚刚启动了3个新项目,以构建小鼠和猕猴大脑部分神经元连接的大型详细图谱,并着眼于将来创建这些动物大脑的完整“接线图”。这些项目均由美国国立卫生研究院(NIH)的“推进创新神经技术脑研究计划”(BRAIN)计划资助。

大脑中每条道路的“导航地图”

第一项研究,先从透射电子显微镜开始。

这是一种发射电子束穿过组织样本以创建极其详细的图像的技术。现在,科学家要扩展和优化透射电子显微镜管道,然后使用该管道,以120纳米分辨率,对小鼠大脑的整个半球和皮质基底神经节丘脑环进行非常精细的细节成像,以更好地了解小鼠大脑的功能。

接着,研究人员就可以尝试这项技术是否能进一步对整个小鼠大脑成像——这是一项重大成就,能为全球神经科学提供非常有价值的路线图。

艾伦脑研所副研究员努诺·达·科斯塔博士指出,这对更广泛的领域都将产生巨大影响,因为这就像“大脑中每条道路、每栋房屋和每扇门的导航地图”,如果做得好,将是一项影响深远的贡献。

在几年内而不是百年内完成

在第二个项目中,科学家将通过追踪轴突和树突伸出并连接其他脑细胞时形成的“蜿蜒路径”,去绘制全脑连接图。

人们可以将它们想象成脑细胞的长臂和手指,从细胞体辐射出来,延伸到整个大脑的其他细胞以创建网络。而研究人员将使用一种名为BARseq的创新技术,追踪这些复杂的路径,BARseq代表通过测序解析的条形码解剖结构。

它的工作原理是用独特的RNA条形码标记每个细胞,使其在细胞群中脱颖而出。通过“连接每个条形码之间的点”,科学家可以追踪脑细胞(即轴突和树突)延伸的位置和距离。

这比当前其他技术更快、更高效,并且可以轻松与其他数据结合。“实际上,我们可以在几年而不是100年的时间内绘制出整个猕猴大脑的图谱。”艾伦脑研所助理研究员陈筱寅表示。

连接数据 共享成果

最后,将细胞类型与全脑图谱联系起来,这是了解大脑功能的至关重要的一环。因此,在第三个项目中,研究人员就将致力于通过扩展和共享技术来连接遗传数据集,这些技术能测量小鼠整个大脑中某两个数据集共有的特征。

艾伦脑研所使用的名为Patch-seq的方法,可生成多维数据,而新项目旨在增强这一能力,并通过自动化、机器视觉建模和先进的计算技术,从全脑图像中捕获神经元的完整结构。

该项目还有一个目标,就是更广泛地与研究人员分享成果,这样,该领域的专家们都能够为表征整个小鼠大脑的细胞类型作出贡献。

艾伦脑研所神经解剖学副主任斯塔奇·索伦森表示,通过基于机器学习的方法,人们可以创建这些深度神经网络,使形态描述与转录组学、连接组数据和远程投影数据保持一致,而“到目前为止,我们对所获得的结果感到非常兴奋。我认为其在细胞亚类水平上尤其有效”。

(原标题:为动物大脑绘制完整“接线图” 新研究欲摸清“大脑中每条路、每栋房和每扇门”)

 
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