作者:季敬杰 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/11/23 10:13:49
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脑细胞普查:科学家是如何给脑细胞发“身份证”的

 

·脑细胞普查项目是希望通过开发和应用前沿技术,对人、非人灵长类动物(比如:猕猴)和小鼠大脑里的细胞类型进行识别和分类,相当于在大脑中对每个脑细胞进行“人口普查”,给每个细胞发一张身份证。而后根据普查结果,可以有针对性地对重要的特定细胞类型进一步深入研究。

在“人类基因组计划”(Human Genome Project)宣告基本完成之后,各国科学家们把目光投向了大脑。

2023年10月12日至13日,美国脑科学计划(BRAIN)的实施主体细胞普查联盟(Cell Census Network,BICCN)在《科学》(Science)、《科学·转化医学》(Science Translational Medicine)和《科学进展》(Science Advances)上共发表了21篇研究文章,展示了美国脑科学计划的一系列研究成果,主要围绕人类、非人灵长类以及小鼠大脑中的细胞类型和功能。

人脑由近千亿个神经元细胞组成,它们之间相互连接的突触数量近千万亿,堪比宇宙中的恒星数量。从这个复杂的神经元宇宙中涌现出了语言、思维和情感等等认知过程,而人类对这些过程的理解还非常粗浅。

为了揭开大脑的秘密,在2010年后,世界各国纷纷以绘制人脑图谱为主要目标启动政府主导的大规模研究计划,如2013年欧盟的“人脑计划”(Human Brain Project)和美国奥巴马政府提出的“创新型神经技术大脑研究”计划(BRAIN),以及2014年日本的“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱”计划等。中国也在2021年启动了“中国脑计划”。各国大脑计划的核心都是为了弄清楚神经元和突触的复杂网络是如何产生功能的,但研究侧重存在差异。

什么是脑细胞多样性?科学家如何对其进行研究?大脑计划有什么样的意义?为了回答这些问题,澎湃科技采访了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员周毅,请他对这些研究进行解读。

【对话】

从基因层面探究多样的脑细胞

澎湃科技:能否介绍一下这次的一系列研究成果的主题?其中有什么突破性的发现?

周毅(中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员):这一批的研究工作致力于表征人类、非人灵长类以及小鼠大脑中多样的细胞类型及其功能,针对人和不同动物模型在胚胎发育中和成年期的转录水平、表观遗传、空间分布及功能进行了研究,从而使我们对大脑不同细胞类型及其功能如何产生、在进化中如何特化有了高精度大通量的深入理解。

本次研究主要围绕了以下主题:

1. 绘制了胚胎期间和成体人脑多个脑区的单细胞转录组学和表观基因组学图谱,描述人脑发育至成年中的细胞多样性、空间分布特征、及分子层面的变化。

2. 比较了人、非人灵长类(比如猕猴)、小鼠的脑细胞图谱的异同,挖掘人脑的特殊性,其中包括细胞类型、基因表达等差异。

3. 探究了人脑中特定的重要细胞类型(如:神经干细胞、调节脑活动的中间神经元等)及其功能,进行组学和类脑器官建模分析。

澎湃科技:能否介绍一下大脑细胞多样性的观点?大脑细胞信息能够告诉研究人员什么?一般如何去研究?

周毅:人脑由超过800亿个神经元构成,它们是大脑运作的基础元件。但是它们的构成很复杂,不同的大脑区域有不同类型的神经元和神经胶质细胞,每一类细胞还能再分出不同的亚类。神经元细胞并不是一种,而是具有多种类型,这就是细胞多样性的基本观点。

科学家们一直试图理解它们的详细分类情况,这样能够帮助我们了解受疾病影响的某一类细胞的亚类,指导我们对疾病的诊断或者治疗(比如:设计只针对某一个细胞亚类管用的药物,这样既能药效好、副作用又小);或者,可以帮我们了解只在人脑中才存在的细胞亚型,从而理解人脑相较于猴、小鼠大脑的特殊性。

科学家在很久以前就意识到大脑细胞存在多样性。一百多年前,“现代神经科学之父”雷蒙尼·卡哈尔爵士(Sir Ramón y Cajal)就通过稀疏地标记大脑细胞和显微镜观察,手绘了神经元等大脑细胞的形态,为后世提供了脑细胞的形态学上的参照图谱,影响深远。可见拥有单细胞分辨率的研究方法,对于解析大脑细胞的特性很重要。

但是长期以来,脑科学家们对大脑细胞的基因和分子层面的“身份证”信息了解很少。现在,随着脑样本库的建立和完善,研究人员能够获取高质量脑组织以进行表征描述,其中包括用多种组学的单细胞测序分析,深入理解大脑里各种各样的细胞的分子信息,不仅实现了卡哈尔百年前的绘制脑图谱的夙愿,而且远不止了解每种细胞长什么样(形态学),更是理解其分子特征、电生理特征、与其它细胞的连接特征等。

而后,脑科学家通常会综合利用高速发展的多种生物技术,比如转基因动物和人脑类器官等动物实验模型、基因编辑等手段,以确立导致特定大脑表征的基因,并针对特定脑疾病开发诊断和治疗方法。

研究大脑的一般过程。受访者供图

澎湃科技:除了人脑之外,很多研究还进行了人脑和其它灵长类动物脑细胞的对比研究,也研究了啮齿类。这些对比研究的意义主要在哪里?

周毅:人脑——包括其结构和功能的发育形成,以及脑功能的执行,是十分复杂的,在时间和空间层面都受到精密调控,一旦调控出了问题,就会产生脑疾病。而我们对这些问题的具体机制知之甚少。动物和人的大脑在进化上既有许多保守的规律特征,人脑也具有大量动物脑所不具备的创新特性,使人类能够进行高级活动,比如能够进行复杂思考、能够语言交流等,奠定了人类在大自然动物界中的独特性。

进化为研究不同物种间的差异性的脑发育和脑功能的遗传调控提供了天然的视角。跨物种研究,即研究不同物种间的差异,可以揭示人脑中关键且特异的基因或调控因子,并且现在单细胞分辨率的研究能精确到特定的细胞类型和生命周期。这样的研究,能够为解答“为什么人之所以为人”这样的终极问题提供线索。

澎湃科技:其中大部分研究通过单细胞转录组学以及表观基因组学分析人脑和动物大脑。能否简单介绍一下这些方法?

周毅:单细胞测序分析是一个很年轻的技术,2009年才出炉。一般而言,一项新技术的应用需要经过几次迭代,以求把技术平台发展得稳定一些,比如使实验结果的可重复性提高、错误率降低、使平台搭建的难度降低、使价格更合理等,而后才可能有效助力我们解析重要的生物学原理和医学科学问题。而经过十多年的发展,目前,单细胞转录组和表观基因组测序分析这一技术已经相对成熟可靠,能够用来解析大脑的细胞多样性。技术人员更是基于单细胞转录组学发展出多组学的测序分析方法(比如:能够在同一细胞中同时检测转录组和表观基因组学,比如保留了空间信息的单细胞组学等),使我们有机会在不久的将来,在同一细胞中获取多种组学多个维度的分子信息。

脑细胞普查:给脑细胞发“身份证”

澎湃科技:这次的一系列研究成果来自于2017年成立的美国脑科学计划(Brain Initiative)-细胞普查联盟(Cell Census Network,BICCN),能否介绍一下这项工作的学术背景和意义?“脑图谱”是具体是一种什么样的图谱?这项工作的主要难点在哪里?

周毅:脑细胞普查项目是希望通过开发和应用前沿技术,对人、非人灵长类动物(比如:猕猴)和小鼠大脑里的细胞类型进行识别和分类,相当于在大脑中对每个脑细胞进行“人口普查”,给每个细胞发一张身份证。而后根据普查结果,可以有针对性地对重要的特定细胞类型进一步深入研究。

这样的普查可以帮助我们绘制脑细胞的“图谱”,不仅能帮助我们了解大脑是由哪些细胞组成、它们分别有什么分子特性、分布在哪里、是怎么连接的,也可以了解人脑为什么和动物的不一样,还可以指导我们分析大脑在疾病状态下哪些细胞的哪些基因出了什么问题,为诊断和治疗提供基础。

过去,实现这个设想的主要难点是由于技术上精度不够,无法在单细胞的分辨率“看”清楚细胞里表达的基因。而近十几年来,分子检测技术越来越成熟,尤其是有一种叫做“单细胞测序分析”的方法(包括了比如:单细胞转录组学、表观基因组学、空间转录组学等),能够使我们以极高的单个细胞的分辨率观察大脑细胞的基因信息,并且由依托机器学习等先进的生物信息学算法,帮助我们整合细胞的分子、形态学、生理学和解剖学等信息和特征,最终使单细胞水平绘制脑细胞图谱成为可能。

澎湃科技:请问这次研究的成果大概属于哪个阶段?后面预期还会有什么样的成果?距离脑图谱测定完成还有多远?

周毅:这一批脑细胞普查的论文发表是一项阶段性成果。后续将基于这些成果进一步绘制脑细胞、脑连接图谱,并同时开发新的技术手段,大致朝着以下这几个方向发展:

1. 更侧重于绘制人脑的图谱,整合多种数据模态,并特别关注脑疾病。目前第一阶段的脑细胞普查主要针对小鼠动物模型和健康人脑的部分脑区(比如脑皮层)进行了单细胞转录组测序分析,这相当于建立了基准线,知道正常生理情况下是怎么样的,可用以分析对比生病了的大脑有怎么样的改变。

接下来的2.0版本的项目,在测序对象上会更侧重人脑和灵长类脑(相比小鼠与人更相似);在测序方法上注重将多种数据模态结合(转录组、表观转录组、空间转录组、蛋白组、形态、电生理等);更重要的是,将着重对疾病脑进行测序分析。

2. 探索脑环路是怎样连接的,脑功能是怎样形成的,开发精确靶向特定细胞类型的工具。第一阶段的脑细胞图谱主要是细胞分子的普查,而下一阶段将对大脑的神经环路如何连接进行探索。这包括绘制脑连接图谱,开发新的病毒追踪、显微成像等研究工具,开发实时而高通量的追踪神经元活动的方法,开发新的计算生物学分析算法等。

3. 建立基因型和表型、脑活动和人类行为之间关系的因果性,并以此开发脑疾病的新诊疗方法。第一阶段的脑细胞图谱提供了高通量的、丰富的数据库,如同宝藏一样,值得深入数据挖掘。针对特定细胞类型和潜在靶点,科学家们通过在动物模型和人源细胞(比如类脑器官)模型中进行比如基因编辑这样的精确干预,进行反向遗传学研究,切实建立基因型和表型间的因果关系,揭示脑发育、脑连接、脑疾病的机制。随着我们对这样的调控机制的深入认识,在不久的将来能够“量变引起质变”引发脑科学研究范式的重大改变,最终促使脑疾病诊疗手段的发展。

澎湃科技:我国在2016年将“脑科学与类脑研究”列为“国家重大科技创新和工程项目”;2021年公布《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》。我国的脑科学计划与美国脑计划有何异同?

周毅:我国所开展的脑科学计划其实涵盖了美国脑计划第一和第二阶段的内容。不仅有不同年龄、物种、疾病状态下的单细胞水平脑细胞图谱的绘制,也有不同大脑区域脑连接的图谱绘制和脑功能的神经机制研究,还有新型的图谱研究和神经活动记录和调控的技术平台的开发。更是涵盖了美国脑计划所没有强调的类脑计算与脑机智能技术及应用。

(原题:《追问|脑细胞普查:科学家是如何给脑细胞发“身份证”的》)

 
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