研究人員建立了迄今為止最大的人腦細胞圖譜，揭示了 3,000 多種細胞型別，其中許多是科學界的新發現。這項工作今天在科學、科學進展和科學轉化醫學上以 21 篇論文的合集形式發表，作者表示，這將有助於研究疾病、認知以及使我們成為人類的因素等等。
這個巨大細胞圖譜提供了對已知最複雜器官的詳細快照。“這非常重要，”澳大利亞墨爾本弗洛裡神經科學和精神健康研究所的神經科學家 Anthony Hannan 說。研究人員以前曾使用磁共振成像等技術繪製人腦圖譜，但這是第一個在單細胞水平上繪製的整個人腦圖譜，展示了其複雜的分子相互作用，Hannan 補充道。“這些型別的圖譜確實為更好地理解人腦奠定了基礎。”
這項研究是美國國立衛生研究院的“透過推進創新神經技術進行腦研究計劃——細胞普查網路 (BICCN)”的一部分，這是一個由數百名科學家組成的合作專案。該計劃的目標包括編目人類、非人類靈長類動物和小鼠的腦細胞型別，以提高對了解不足的腦部疾病背後細胞機制的理解。來自 21 項研究的資料已在神經科學多組學檔案線上儲存庫上公開。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
細胞動物園
金伯利·西萊蒂 (Kimberly Siletti) 是荷蘭烏得勒支大學醫學中心的神經科學家，她的團隊為該圖譜奠定了基石，他們使用來自三名已故男性捐贈者的組織樣本，對覆蓋整個人腦的 106 個位置的 300 多萬個單個細胞的 RNA 進行了測序。他們還納入了之前研究中使用的一名女性捐贈者的一個運動皮層解剖樣本。他們的分析記錄了 461 個廣泛的腦細胞類別，其中包括 3,000 多個亞型。“細胞型別之多讓我感到驚訝，”西萊蒂說。
神經元（大腦和神經系統中傳送和接收訊號的細胞）在大腦的不同部位差異很大，這表明不同的功能和發育歷史。神經元和其他細胞型別的混合物在每個區域也各不相同；一些細胞僅在特定位置發現。腦幹是一個相對未被充分研究的結構，它連線大腦和脊髓，研究合著者、瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的分子系統生物學家 Sten Linnarsson 說，腦幹蘊藏著特別多的神經元型別。“這裡最大的驚喜之一是腦幹的複雜程度令人難以置信。”
其他研究深入研究了不同細胞中基因調控和表達的機制。加利福尼亞州拉荷亞索爾克生物研究所的分子生物學家 Joseph Ecker 和他的同事使用來自同一三位捐贈者的組織樣本，透過表觀遺傳學的視角研究了大腦。他們分析了超過 500,000 個單個細胞中開啟或關閉基因的化學標記。充當開關的各種分子使該團隊能夠識別近 200 種腦細胞型別。即使是同一種細胞中的同一個基因，在大腦的不同區域也可能具有不同的特徵。一個基因在大腦前部被一個開關開啟，而在後部被另一個開關開啟。“存在顯著的區域差異，”索爾克研究所的計算生物學家、研究合著者魏天說。
Ecker 說，查明啟用或阻止腦細胞中基因表達的開關可能有助於診斷腦部疾病和開發定製治療方法。“那是我們正在構建的工具箱中出現的另一種工具，”他說。
疾病風險
加利福尼亞大學聖地亞哥分校的分子生物學家任兵和他的團隊也專注於提高對遺傳開關如何可能導致疾病風險的理解。他們分析了來自三名捐贈者的 100 多萬個腦細胞如何訪問和使用遺傳資訊。研究人員發現了某些腦細胞型別與神經精神疾病（包括雙相情感障礙、抑鬱症和精神分裂症）之間的聯絡。
任兵和他的同事使用細胞型別資料來預測遺傳開關如何影響基因調控並增加神經系統疾病的風險。例如，在稱為小膠質細胞的細胞中，這些細胞會清除死亡或受損的細胞，一些遺傳開關的存在與阿爾茨海默病風險密切相關。這些發現可用於測試特定基因或錯誤的開關是否直接導致疾病的發生。“之所以成為可能，是因為我們首次描繪了數百種不同細胞型別的遺傳開關，”任兵說。
任兵說，BICCN 團隊的下一步是從大腦所有部位的更多細胞中進行測序。研究人員還將與更多組織樣本合作，以構建人類大腦在不同人群和年齡組中如何變化的圖景。“這僅僅是個開始，”任兵說。
本文經許可轉載，並於 2023 年 10 月 12 日首次發表在Nature上。