圖片來源：李紅杰
大腦的神經(jīng)系統(tǒng)由成千上萬種不同類型的神經(jīng)細胞構(gòu)成，這些神經(jīng)細胞在細胞形態(tài)，突觸連結(jié)及生理功能上具有高度的多樣性。不同種類的神經(jīng)細胞中，其基因組、蛋白組、化學(xué)分子組成、代謝也都有著很大的差別。因此，對腦內(nèi)神經(jīng)細胞進行分類，以更好地理解其分子特性及生理功能十分重要。
目前，神經(jīng)細胞的分類主要根據(jù)細胞形態(tài)、功能、以及所在位置等等。近年來，單細胞RNA測序技術(shù)為定義細胞類型提供了新途徑。與傳統(tǒng)的分類方法相比，單細胞RNA測序能夠給出更多的分子水平信息，這些信息不僅能夠幫助研究人員發(fā)現(xiàn)新的細胞類型，同時也有助于尋找調(diào)控細胞發(fā)育的分子機制。
建立果蠅神經(jīng)細胞的單細胞RNA測序方法
在這篇題為“Classifying Drosophila Olfactory Projection Neuron Subtypes by Single-Cell RNA Sequencing”的研究論文中，研究人員利用單細胞RNA測序技術(shù)來研究神經(jīng)元分類，并首次把這一技術(shù)運用到模式生物——果蠅的大腦嗅覺神經(jīng)元中。在過去的二十年里，駱利群教授一直致力于研究果蠅的神經(jīng)回路。 他說：“我們已經(jīng)知道了果蠅的基因組信息，通過單細胞RNA測序，我們可以知道哪種細胞表達了哪些基因?！痹诠壍男嵊X神經(jīng)系統(tǒng)中，五十類嗅覺投射神經(jīng)細胞和五十類上游的嗅覺感受神經(jīng)細胞形成一對一的突觸連接，不同種類的嗅覺投射神經(jīng)細胞有非常特異的連接和功能，因此是一個研究神經(jīng)細胞分類的極佳模型。
果蠅大腦熒光圖，GFP為嗅覺投射神經(jīng)元胞體，RFP為嗅覺投射神經(jīng)元軸突及樹突。圖片來源：李紅杰和李介夫
雖然單細胞RNA測序技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小鼠和人類細胞中。但李紅杰在實驗過程中卻遇到一個難題：果蠅的細胞太小，因而無法從單個果蠅神經(jīng)細胞中得到足夠的RNA來進行測序。通過和斯坦福大學(xué)Stephen Quake 教授實驗室的Felix Horns（中文名：康思業(yè)）博士生合作，他們最終克服了這一難題，成功開發(fā)了一種能夠應(yīng)用于果蠅神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞的單細胞RNA測序方法。
機器學(xué)習(xí)助力細胞分類
通過對基因表達圖譜的分析，能準確地把不同的神經(jīng)細胞進行分類。但是，在基因表達水平，不同種類的神經(jīng)細胞基于怎樣的標準區(qū)分呢？研究人員測試了兩種假設(shè)模型：每一類神經(jīng)元表達一個特定的基因，或者每一類神經(jīng)元表達一個特定的基因組合（即多個基因）。研究人員開發(fā)了一種名為ICIM的機器學(xué)習(xí)算法來識別區(qū)分細胞類型的基因。結(jié)果表明，這種數(shù)據(jù)分析支持了第二種模型——因為，在大部分類型的神經(jīng)細胞里并沒有發(fā)現(xiàn)特異性的單個基因。
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