本周，《自然》雜志發(fā)表了艾倫腦科學(xué)研究所（Allen Institute for Brain Science）的一項新研究，首次以超高分辨率描繪了人類大腦最詳細(xì)的“零件清單”，并對比了人類和小鼠大腦細(xì)胞類型差異。
研究人員使用單核 RNA 測序技術(shù)，鑒定出了人類大腦皮層顳中回內(nèi)域中 75 種不同細(xì)胞類型，通過與小鼠的類似腦區(qū)進(jìn)行比較，研究人員發(fā)現(xiàn)了二者在結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型方面的相似性——不過也有很多差異。這強(qiáng)調(diào)了在研究模式生物之外，直接研究人腦的重要性。
這種對大腦細(xì)胞類型的超詳細(xì)辨識，為提高我們對自己大腦的認(rèn)識奠定了基礎(chǔ)，并極大地改變了治療人類大腦疾病的方式。
小鼠和人類腦細(xì)胞類型的最新比較，為科學(xué)家們打開了一扇大門，他們可以將幾十年來嚙齒類動物神經(jīng)科學(xué)研究中獲得的知識推斷到人類大腦研究中。細(xì)胞類型的差異也突出了人類和嚙齒動物之間的關(guān)鍵不同，這可以解釋為什么在小鼠研究中開發(fā)的那么多神經(jīng)疾病藥物對人類不起作用。
“了解人類大腦的各個組成部分十分關(guān)鍵。這個清單讓我們能夠了解小鼠和人類之間的不同之處和相似之處。這種理解的最終影響，將為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供更好的治療。”美國國家心理健康研究所所長 Joshua Gordon 博士說，“最終的目標(biāo)將是揭示出完整的人腦零件清單。這是一個雄心勃勃的目標(biāo)，但這篇論文向我們表明，這是一項可行的事業(yè)?！?br>
人類與小鼠的大腦細(xì)胞類型具有對應(yīng)關(guān)系
要做一道新菜，廚師必須選擇食材并將它們組合，以實現(xiàn)不同的口味和質(zhì)地。同樣，成千上萬個基因的不同表達(dá)組合創(chuàng)造并維持了大腦中每種細(xì)胞的多種多樣的“味道”。
大腦中神經(jīng)元細(xì)胞類型的分類是神經(jīng)科學(xué)的一個長期目標(biāo)，可以追溯到20世紀(jì)早期的解剖學(xué)家。僅在大腦皮層，數(shù)十億的神經(jīng)元被組織成六個片狀的層，分布在幾十個解剖上不同的區(qū)域?？紤]到單個神經(jīng)元之間的差異來源很多，在一個共同的分類下對腦細(xì)胞進(jìn)行系統(tǒng)的注釋是一個巨大的挑戰(zhàn)。
以往的研究通過測量大腦不同區(qū)域的基因表達(dá)，以及利用生物信息學(xué)分析來識別主要細(xì)胞類別的分子特征，從而深入了解大腦的分子結(jié)構(gòu)。如今，這些方法已經(jīng)通過單細(xì)胞基因測序技術(shù)得到了擴(kuò)展，但想要人類大腦分離完整的細(xì)胞組織，在技術(shù)上仍具有挑戰(zhàn)性，而且很多細(xì)胞會在分離過程中丟失。
在這篇最新研究論文中，艾倫研究所的研究團(tuán)隊通過對從死后或手術(shù)中獲得的人腦樣本中分離出的單個細(xì)胞，進(jìn)行 RNA 轉(zhuǎn)錄水平的分析，克服了這個問題。
圖 | 艾倫研究所的科學(xué)家 Rebecca Hodge 檢查一塊人類大腦（來源：Allen Institute）
研究人員通過對在特定細(xì)胞中基因表達(dá)的分析，對來自人類內(nèi)側(cè)顳回（大腦顳葉的一部分）的近 16,000 個細(xì)胞進(jìn)行分類。這項研究依賴于將大腦捐獻(xiàn)給科學(xué)研究的尸檢組織，以及接受腦部手術(shù)的癲癇患者被切除的組織。
通過對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將單個數(shù)據(jù)點（每個點代表一個細(xì)胞）分組成與細(xì)胞表達(dá)的 RNA 轉(zhuǎn)錄類型相對應(yīng)的簇，研究人員發(fā)現(xiàn)了人腦顳中回內(nèi)存在 75 種不同的細(xì)胞類型，包括 6 種非神經(jīng)元細(xì)胞、24 種興奮性細(xì)胞和 45 種抑制性細(xì)胞。
根據(jù)大腦細(xì)胞的一般功能（興奮性、抑制性或非神經(jīng)元性）、解剖位置、主要類群和特定細(xì)胞類型的基因表達(dá)特征，每種細(xì)胞類型都有四個部分的名稱。
這個系統(tǒng)的命名法整合了多種信息模式，這些信息模式在歷史上曾被用來對神經(jīng)元細(xì)胞類型進(jìn)行分類。神經(jīng)元所處的皮質(zhì)層，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是神經(jīng)元同一性的一個基本特征，因此層狀位置的分子標(biāo)記以前被用來研究皮層組織。皮質(zhì)層是在發(fā)育過程中按順序生成的，因此每個神經(jīng)元的出生日期可以預(yù)測其最終的層疊位置。為了確定細(xì)胞的層疊位置對細(xì)胞類型的預(yù)測程度，在這項研究中研究人員記錄了每個細(xì)胞的起源層，并研究了這是否與基因表達(dá)定義的細(xì)胞類型分類有關(guān)。
分析結(jié)果顯示，在某些細(xì)胞類型中，某些基因的表達(dá)與精確的層位有關(guān)。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)在人類身上幾乎所有類型的興奮性神經(jīng)元都位于不止一層，這一發(fā)現(xiàn)通過對完整組織樣本中細(xì)胞類型特異性 RNA 轉(zhuǎn)錄本的熒光標(biāo)記得到驗證。而這些研究發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了長期以來關(guān)于大腦皮層神經(jīng)元細(xì)胞類型的離散層狀組織的觀點。
圖 | 在這幅圖中，我們看到了人類和小鼠大腦皮層中抑制神經(jīng)元的比例（來源：Allen Institute）
除了提供關(guān)于細(xì)胞類型和組織的見解外，單細(xì)胞分析還使我們能夠洞察細(xì)胞類型的進(jìn)化保守。研究人員通過分析從人類和小鼠大腦皮層收集的單細(xì)胞基因表達(dá)數(shù)據(jù)集，并再次使用聚類分析來識別匹配細(xì)胞類型。用這種方法，研究人員確定了幾乎所有在人類大腦皮層中識別的 75 種細(xì)胞類型，都顯示出與小鼠大腦細(xì)胞類型的對應(yīng)關(guān)系（同源性）。
同時，研究人員也發(fā)現(xiàn)，皮層 I-IV 層神經(jīng)元的多樣性在人類皮層中比在小鼠皮層中更豐富，而 I-IV 層神經(jīng)元被認(rèn)為負(fù)責(zé)靈長類特有的許多認(rèn)知方面功能。此外，研究人員還注意到，在同源細(xì)胞類型中，某些基因在物種之間的表達(dá)是高度可變的。比如，小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦的免疫細(xì)胞，在人類和小鼠的基因表達(dá)上表現(xiàn)出最大的差異，這表明小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)免疫紊亂中的作用可能在物種間存在很大差異。
我們比小鼠更復(fù)雜嗎?以面積和神經(jīng)元數(shù)量計算，人類大腦皮層是小鼠的 1000 多倍。但在這項最新研究中，研究人員采用小鼠單細(xì)胞 RNA 測序數(shù)據(jù)集做了人鼠大腦皮層對比，研究中發(fā)現(xiàn)的 75 種人類腦細(xì)胞類型在小鼠大腦中都存在著對應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)與人類基因組計劃（human Genome Project）在近 20 年前揭示的人類和小鼠擁有幾乎相同數(shù)量的基因相似。
研究論文通訊作者、艾倫腦科學(xué)研究所的研究員 Ed Lein 博士說:“許多人認(rèn)為人腦比老鼠的大腦復(fù)雜。令人驚訝的是，至少在細(xì)胞多樣性方面，情況并非如此。但是現(xiàn)在我們有了一種方法來進(jìn)行真正的比較，我們開始看到基因的表達(dá)方式、細(xì)胞的樣子以及不同細(xì)胞類型在大腦中的比例有很多不同?！?br>
“最重要的是，我們的大腦和小鼠的大腦既有很大的相似之處，也有很大的不同之處，”該研究的作者之一、艾倫腦科學(xué)研究所所長、首席科學(xué)家 Christof Koch 博士說，“這一方面就告訴我們，我們的進(jìn)化具有巨大的連續(xù)性，而另一方面則告訴我們，我們是獨一無二的。如果你想治愈人類大腦疾病，你必須了解人類大腦的獨特性?！?br>
圖 | 人類和小鼠對應(yīng)的大腦細(xì)胞類型具有不同的特性，盡管大多數(shù)基因在兩個物種中表達(dá)水平相似（黑點），但許多基因在人類（紅點）或小鼠（藍(lán)點）中表達(dá)得更高。
除了小膠質(zhì)細(xì)胞的差異，研究人員還發(fā)現(xiàn)了人鼠對應(yīng)細(xì)胞類型之間在基因表達(dá)水平方面更多的差異。比如，血清素受體是這兩個物種之間差異第二大的基因家族。作者認(rèn)為，這可能對使用小鼠模型來研究涉及血清素信號傳導(dǎo)的神經(jīng)精神疾病的做法構(gòu)成挑戰(zhàn)。
血清素受體是一種蛋白質(zhì)，它能讓我們的神經(jīng)元對神經(jīng)遞質(zhì)血清素做出反應(yīng)，并在食欲、情緒、記憶力、睡眠和許多其他重要的大腦功能中起著主導(dǎo)作用。人類和小鼠不同類型神經(jīng)元中血清素受體表達(dá)的不同，可以解釋為什么臨床研究人員很難開發(fā)出治療抑郁癥和其他與血清素相關(guān)疾病的新療法：一種作用于血清素受體的藥物對小鼠的影響可能與對人類的影響非常不同。
該研究促進(jìn)了我們對大腦皮層細(xì)胞組成的理解，并揭示了人類和小鼠大腦中區(qū)域組織結(jié)構(gòu)之間此前未被識別的差異。更重要的是，這項研究展示了一種新的研究方法，
有一天可以在許多物種之間對細(xì)胞類型同源性進(jìn)行徹底的比較。
