如果你偶然發現一臺收音機或一臺電腦，卻不知道它是如何工作的，你很可能首先會想了解它的組成部分是什麼——它的零部件是什麼。你的下一步可能是確定每個部件實際上做什麼，並注意哪些部件與其他部件相連。
這就是10月31日發表在《自然》雜誌上的兩項相關研究中理解大腦的方法。第一項研究利用基因活動的差異來識別小鼠大腦中不同的細胞型別，發現的型別比以前所知的更多。第二項研究仔細觀察了一些已識別的細胞型別，試圖找出它們的作用，結果表明它們在控制運動方面發揮著兩種截然不同的作用。
第一項研究（連結）由博斯吉卡·塔西奇（Allen腦科學研究所）領導，旨在對小鼠大腦皮層的兩個部分（大腦的外層，負責較高認知功能）的不同腦細胞型別進行編目。研究人員選擇了兩個遙遠的區域：初級視覺皮層（處理來自眼睛的視覺輸入的第一個站點）和運動皮層的一部分（前外側運動皮層，或ALM），它參與運動。他們使用一種技術分析了23,822個細胞，該技術允許他們確定在單個細胞中實際啟用的超過45,000個可能的基因。然後，他們將具有相似基因活性的細胞分組在一起，以識別133種不同的細胞型別。“這是我們迄今為止對皮層組成最全面的描述，”塔西奇說。
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細胞型別分為兩大類：一類稱為抑制性神經元，使用化學信使GABA進行通訊，並抑制其他附近細胞的活動。另一類，興奮性神經元，使用化學穀氨酸，它們是產生神經活動的大腦主要細胞。該研究的一個主要發現是，不同型別的抑制性神經元（研究小組確定了61個抑制性亞型）幾乎在所研究的兩個區域之間共享。相比之下，56個興奮性亞型中的51個是它們所在區域所特有的。（還發現了16種非神經元的細胞型別）“這是一項具有里程碑意義的研究，揭示了以前未被重視的興奮性皮質神經元的[多樣性]，”加州大學舊金山分校的神經生物學家托馬斯·諾瓦科夫斯基說，他共同撰寫了一篇隨附的評論，但未參與該研究。“長期以來，人們認為這些在各個皮質區域中大致相似。塔西奇和同事們證明這遠非事實。”
研究小組接下來使用熒游標記來追蹤來自2000多個細胞的通向遠處大腦區域的連線。“抑制性神經元具有區域性連線，可以調節它們工作區域內發生的事情，”塔西奇說，“而大多數興奮性神經元投射到遙遠的地方，這可能是其他皮質區域或非皮質區域。”他們發現具有不同遠距離連線模式的神經元也具有不同的基因活動模式，進一步證實了他們識別的類別是不同的細胞型別，可能在大腦功能中發揮不同的作用。
第二項研究（連結）由弗吉尼亞州霍華德·休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區的神經科學家邁克爾·埃科諾莫領導，重點關注第一項研究中識別出的幾個亞型，試圖瞭解它們的功能。塔西奇和同事在ALM的一個特定層中發現了三個亞型，該層包含興奮性的“錐體束”神經元。“我們對這些非常感興趣，”埃科諾莫說。“因為它們是運動皮層的主要輸出神經元，將運動皮層與負責啟動和執行運動的其他重要運動中心連線起來。”（錐體束神經元也是一些運動神經元疾病（如ALS）中發生退化的神經元。因此，瞭解這些細胞傳遞的資訊以及它們所屬的迴路可以幫助研究人員更好地瞭解哪裡出了問題。）
埃科諾莫和同事發現，其中兩個亞型連線到丘腦，丘腦是一箇中央“樞紐”區域，與皮層形成迴路。另一個亞型連線到延髓，延髓是一個腦幹區域，包含啟用肌肉和協調運動的神經元。這種安排與之前的研究非常吻合，表明參與溝通準備性運動的神經元——“計劃”——和啟動和控制運動的神經元之間存在差異。“許多快速、自願、靈活的運動都涉及在執行之前的一段準備期，”埃科諾莫說。“這使得動物在啟動後能夠更快、更精確地執行運動。”
在建立了這個迴路之後，埃科諾莫和同事在小鼠身上進行了實驗，以確定神經元實際的作用。他們訓練小鼠對在兩個地方之一被觸鬚戳到做出反應，方法是喝下它們左邊或右邊的噴口。當小鼠執行這項任務時，研究人員使用一根長而靈活的電極記錄了ALM中細胞的活動。研究人員使用光遺傳學（一種使細胞對光敏感的技術，因此可以透過向其照射光線來輕鬆識別它們）標記了他們感興趣的神經元。然後，他們可以觀察細胞在運動任務期間的活動，以研究它們在運動中的作用。結果顯示，一些連線到延髓的細胞在運動開始時非常活躍，而另一些細胞在活動的中途或末尾被啟用。
另一方面，連線到丘腦的細胞在小鼠的觸鬚被戳到後，但在它們移動之前，顯示出複雜而持續的活動模式。“這裡有一個穩定的程式碼，確切地表示了刺激是什麼以及小鼠將要執行什麼樣的運動，”埃科諾莫說。“這就是我們期望的運動計劃的樣子——對即將到來的運動的表示，並且隨著時間的推移持續存在。”
這些發現表明，第一項研究中確定的三種細胞型別發揮著兩種截然不同的作用：一種參與準備運動，另一種參與啟動和控制運動。“答案如此清晰而美好，”塔西奇說。“這是如何使用這種型別資料的完美展示。”這僅涵蓋了迄今為止確定的133種細胞型別中的三種，但是第一項研究提供的基因身份圖譜，可供其他研究人員公開使用，將使研究人員能夠集中關注其他型別以進行類似的實驗。“這些研究為神經科學的未來設定了願景：全面表徵大腦中的所有主要細胞型別，並系統地定義其功能，”諾瓦科夫斯基說。“這也表明我們才剛剛開始這段旅程。”