本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
- 託尼·扎多爾
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託尼·扎多爾是冷泉港實驗室的生物學教授，研究齧齒動物的聽覺處理、注意力和決策制定。他最近在實驗室第79屆定量生物學年度研討會上發言，今年的主題是認知。扎多爾談到了他最近的工作，試圖展示如何利用基因測序技術繪製大腦回路圖。我在會議上遇到了扎多爾，下面是經過編輯的文字記錄——或者您也可以在這裡觀看整個採訪。
《大眾科學》：首先請問，什麼是連線組？
託尼·扎多爾：人腦有1000億個神經元，小鼠大腦可能有1億個。我們真正想了解的是我們如何從一群神經元發展到思想、情感、行為。我們認為關鍵是要了解不同的神經元是如何相互連線的。所以傳統上有很多研究連通性的技術，但都處於相當粗糙的水平。例如，我們可以說這裡的一群神經元傾向於與那裡的一群神經元相連。
也有研究單個神經元如何連線的技術，但僅限於這些神經元之間的個別連線。我們希望能夠做到的是，瞭解大腦中的每個神經元是如何與大腦中的其他每個神經元相連的。因此，如果您想在美國各地旅行，您最需要的是一張路線圖。它不會告訴你關於美國的全部資訊，但如果沒有一張完整的全國路線圖，你將很難四處走動。我們需要類似的東西來了解大腦。
《大眾科學》：那麼測序部分呢？您提出連線組的測序可能基於此處開發的基因測序技術。
扎多爾：傳統上，人們研究連通性的方式是將其作為顯微鏡學的一個分支。通常，人們會使用一種或另一種方法來標記神經元，然後在一定解析度下觀察該神經元。但是所有顯微鏡技術的核心挑戰在於神經元可以延伸很長的距離。在小鼠大腦中可能是幾毫米，事實上，在長頸鹿的大腦中，有些神經元可以從大腦一直延伸到它的腳，超過15英尺。腦細胞透過稱為突觸的結構相互連線，這些結構低於光學顯微鏡的解析度。這意味著，如果您真的想了解一個神經元如何連線到另一個神經元，您需要分辨突觸，這需要電子顯微鏡。您必須拍攝大腦的非常薄的切片，然後對其成像。
人們在這方面做得非常出色，但至少直到最近，這些成功主要發生在秀麗隱杆線蟲身上，這是一種具有302個神經元和7000個突觸的線蟲。經過超過50人年的工作，他們成功地重建了這種微小生物的整個連線圖。從那時起，他們對其進行了擴充套件，效果還不錯，但仍然極具挑戰性。因此，幾年前，因為我在冷泉港，並且沉浸在所有這些測序技術中，我突然想到，基因測序技術實際上有能力弄清楚數十億個突觸是如何連線的。如果一隻小鼠的大腦有1億個突觸，每個神經元產生1000個突觸，那麼就有1000億個突觸。
如今，一次測序執行的成本約為1000美元，可讀取10億個核苷酸（DNA的化學成分）。我們提出的方法是讓一個讀取對應一個突觸。這個價格正在下降。十五年前，測序第一個人類基因組的成本約為10億美元，而現在您可以花費1000美元對您的基因組進行測序。在幾年內，價格將會遠低於此。因此，測序成本下降得非常快。事實上，測序的改進速度甚至比計算機提高效能的速度還要快。我的iPhone的計算能力比20年前的計算機還要強。效能的提高遵循所謂的摩爾定律，而自2008年以來，測序技術的改進速度明顯快於摩爾定律。我們完全有理由期待測序會變得更快。這意味著將連通性問題轉化為測序問題具有巨大的潛在好處。
《大眾科學》：迴路不是基因，那麼您如何對迴路進行測序？
扎多爾：我們的想法是，我們將在每個神經元中賦予一個獨特的、隨機的DNA序列。我們稱之為條形碼。起初這聽起來很奇特，但實際上免疫系統已經解決了這個問題。您的B細胞和T細胞透過一種稱為體細胞重組的過程產生新的抗體。它們打亂染色體的片段以產生新的抗體。
但這並不是我們採取的字面方法。我們不使用免疫系統中使用的特定酶集合，因為它們對我們來說不是很方便。但是許多生物體都使用了該原理，我們正在劫持來自其他生物體的類似蛋白質，以嘗試在神經元中做相同的事情。我們的想法是，我們將在每個神經元中放入一個表達特定蛋白質的核苷酸盒。該蛋白質將打亂核苷酸，並在大腦中的每個神經元中生成一個新的序列。每個神經元聽起來很多，但組合數學對我們有利。一個由30個隨機核苷酸組成的序列具有430的潛在多樣性，因為有四個核苷酸。
這個數字遠遠大於大腦中神經元的數量。因此，如果我們能偶然地引起足夠多的擾亂，那麼兩個神經元具有相同條形碼的機率就微乎其微。如果我們可以做到這一點，那麼下一步就是表達編碼該隨機條形碼的小RNA片段。然後，我們將擁有將這些RNA拖到突觸的工程蛋白質。那麼，在每個突觸，都會有一個突觸前RNA條形碼和一個突觸後RNA條形碼。之後，只需進行一些生物化學處理，將突觸前條形碼和突觸後條形碼連線在一起，這樣您將獲得一個DNA片段。最後，我們只需要讀取這些程式碼，原則上，我們就可以獲得這個巨大的連通性矩陣。
《大眾科學》：大腦中有很多不同型別的神經元和結構。原則上，您認為您可以使用這種方法走多遠？
扎多爾：這在人類身上行不通，因為它需要操縱神經元。但是我們沒有理由不能完成整個小鼠大腦的研究，事實上，一旦我們讓轉基因小鼠工作，我們沒有理由不能研究許多小鼠大腦。因此，測序成本不會被忽略不計，但會在使該專案值得的範圍內。我們設想的是，不僅要獲得部分迴路的連通性，還要獲得整個迴路的連通性。我告訴了您最基本的內容，但我們可以新增一些花哨的功能，我們認為這些功能不僅可以讓我們獲得連通性，還可以獲得這些細胞的精確位置及其基因表達模式。反過來，這將告訴我們它們的細胞型別，所以我們真正想要的，儘管這很雄心勃勃，是完整的連通性矩陣，然後與每個元素關聯的是它是什麼細胞型別的名稱。
《大眾科學》：與基因測序一樣，這可以很快完成。
扎多爾：一旦我們有了轉基因動物，提取DNA需要幾天時間，而每個個體的測序需要兩週或更短的時間。整個過程可能需要一個月的時間。
《大眾科學》：美國非常重視花費大量資金開發新技術以更好地瞭解大腦。您是否認為這是可能使用的技術之一？
扎多爾：我已申請撥款。我很想做這件事。我希望很快能有一個原理證明，讓人們相信這是值得追求的事情。但是，要真正擴大所有這些規模，是超出一個實驗室可能完成的事情。因此，我希望看到的是，在我們展示原理證明之後，許多實驗室會參與進來，並提出更好的想法，以最快的方式完成我們現在正在嘗試做的事情。如果資源投入到這項工作中，我會感到非常興奮，因為我認為擁有生物體的完整連通性將非常有用，並且我認為擁有產生這種能力的能力可以改變我們進行神經科學研究的方式。
《大眾科學》：最後，在您最近在PLOS Biology上發表的關於此主題的論文中，您提到您的技術可能適合測試當大腦回路在像自閉症這樣的疾病中出錯時會發生什麼。您能談談這方面嗎？
託尼·扎多爾：我的研究興趣之一是自閉症，最近在識別導致自閉症的基因方面取得了很大進展。但是事實證明，有幾十個甚至數百個基因，當受到干擾時，可能會導致自閉症。儘管自閉症是異質性的，但仍然可以以有意義的方式進行診斷。因此，肯定有一些共同之處。一個有吸引力的假設是自閉症是由電路中斷引起的。這可能是由於我們知道在人類中導致自閉症的基因損傷造成的。
我們可以在小鼠中重現這些損傷，然後我們可以問一個問題：‘在表達與人類相同基因損傷的小鼠的電路中會發生什麼錯誤？’希望我們能做的是，提取20個自閉症小鼠模型，觀察它們的大腦，觀察它們的連通性，然後說，我們注意到在20個模型中的17個模型中，與非自閉症小鼠相比，該電路存在中斷。這將引導我們仔細研究該電路，該電路可能會連線大腦的前部和後部，或者將一個神經元子集連線到另一個子集，無論是區域性還是在另一個大腦區域。可能的假設空間是巨大的。除非您有這樣的方法，否則目前不可能全部測試它們。
《大眾科學》：非常感謝。
圖片來源：冷泉港實驗室