艾倫研究所(Allen Institute)的科學(xué)家正致力于建立一個(gè)大腦細(xì)胞類型的“周期表”。
在這項(xiàng)研究中，研究人員仔細(xì)分析了老鼠大腦中的數(shù)百個(gè)細(xì)胞，并根據(jù)它們的形狀和電活動(dòng)對(duì)它們進(jìn)行了分類。為了了解我們的大腦，科學(xué)家需要知道它們的組成部分。這一主題是神經(jīng)科學(xué)日益努力的基礎(chǔ)，目的是定義大腦的不同組成部分——大腦細(xì)胞。
用老鼠的8000萬個(gè)神經(jīng)元和我們的860億個(gè)神經(jīng)元，對(duì)這些微妙的、微小的構(gòu)件進(jìn)行分類是一項(xiàng)不小的壯舉。艾倫腦科學(xué)研究所(Allen Institute for Brain Science)今天在《自然神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究，根據(jù)老鼠神經(jīng)元的兩個(gè)重要特征——它們的三維形狀和它們的電行為，描述了老鼠神經(jīng)元類型的大量概況。艾倫研究所(Allen Institute)通過對(duì)腦細(xì)胞類型的大規(guī)模探索，發(fā)現(xiàn)了大腦的“元素周期表”。
研究人員希望對(duì)健康哺乳動(dòng)物大腦中的細(xì)胞類型有更好的了解，這將為揭示人類大腦紊亂和疾病的細(xì)胞類型奠定基礎(chǔ)。
如果你想到經(jīng)典元素周期表，化學(xué)元素可以用很多方式來描述和排序:它們的質(zhì)量，它們的化學(xué)性質(zhì)，不管它們是不是金屬。神經(jīng)科學(xué)家也面臨著類似的挑戰(zhàn)。一個(gè)特定的神經(jīng)元會(huì)有許多不同的個(gè)性特征來區(qū)別于其他類型的神經(jīng)元:它的形狀，它的行為，它所開啟的一組獨(dú)特的基因，它在大腦中的位置，它與其他類型的細(xì)胞相互作用。
如何定義單元格類型?
艾倫研究所下屬艾倫腦科學(xué)研究所(Allen Institute for Brain Science)結(jié)構(gòu)科學(xué)執(zhí)行主任、該研究的資深作者曾紅奎(Hongkui Zeng)博士說，要理解單細(xì)胞類型的作用，研究人員需要探究所有細(xì)胞的這些屬性。
他曾說:“細(xì)胞類型是一組細(xì)胞，它們彼此具有相似的功能特性，但我們不知道所有這些特性是什么。”“我們不應(yīng)該只關(guān)注單一的功能;我們需要盡可能多地研究這些細(xì)胞的特征，看看它們之間是否一致?！?/p>
在這項(xiàng)研究中,研究小組通過神經(jīng)元分類視覺處理的小鼠大腦的一部分找到幾十個(gè)不同的大腦細(xì)胞類型,仔細(xì)分析接近2000個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)和詳細(xì)的三維形狀(也稱為形態(tài))近500相同的細(xì)胞。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些新的細(xì)胞類型類別與去年發(fā)表的一項(xiàng)補(bǔ)充研究的類別一致。
在早期的研究中，艾倫研究所的研究人員使用基因表達(dá)，或任何一個(gè)細(xì)胞中被激活的基因列表，將將近2.4萬個(gè)腦細(xì)胞分成不同的類型。
不同的功能產(chǎn)生相似的細(xì)胞類型組給研究人員的信心,他們?cè)谡_的軌道上分類,指出:索倫森,博士,神經(jīng)形態(tài)學(xué)的團(tuán)隊(duì)在艾倫腦科學(xué)研究所,是作者在研究和Nathan Gouwens博士和吉姆·伯格博士。索倫森說:“如果我們對(duì)一個(gè)細(xì)胞的多種特性進(jìn)行比對(duì)，我們就會(huì)更有信心，認(rèn)為我們擁有一種具有生物學(xué)意義的細(xì)胞類型?！?/p>
為什么細(xì)胞的形狀和活動(dòng)很重要
它們的活動(dòng)和形狀也為研究人員提供了線索，讓他們了解單個(gè)細(xì)胞在大腦神經(jīng)回路的大背景下在做什么。電信號(hào)使用脈沖，即所謂的尖峰或動(dòng)作電位，是神經(jīng)元與每一個(gè)神經(jīng)元之間交流的普遍方式。不同的神經(jīng)元被調(diào)優(yōu)，以發(fā)送和接收這種尖峰的不同模式。
理解這些信號(hào)有助于研究人員重建這些神經(jīng)元如何在電路中與其他神經(jīng)元連接。它們的形狀也提供了線索。
艾倫研究所(Allen Institute)的計(jì)算神經(jīng)學(xué)家古文斯(Gouwens)說，“一個(gè)細(xì)胞的形狀代表著它如何與其他細(xì)胞連接?！薄拔覀冴P(guān)心細(xì)胞之間是如何連接的，因?yàn)檫@是它們形成處理信息的回路的方式?！?/p>
社區(qū)數(shù)據(jù)
研究人員希望這些公開的數(shù)據(jù)，連同有關(guān)腦細(xì)胞類型基因表達(dá)的數(shù)據(jù)——所有這些都是艾倫細(xì)胞類型數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分——將有助于對(duì)健康和疾病中的特定細(xì)胞類型進(jìn)行更深入的研究。如果一個(gè)研究小組有興趣在一個(gè)特定的疾病相關(guān)基因在大腦中,例如,他們可以看到細(xì)胞基因已被打開,或表達(dá),然后探索這些神經(jīng)元的形狀和活動(dòng)形成新的假設(shè)關(guān)于疾病的基因可能行為,可能會(huì)出錯(cuò),如果基因突變或失蹤。
“他們可以對(duì)基因功能障礙如何改變細(xì)胞類型，如何導(dǎo)致特定的影響形成一種假設(shè)，”艾倫腦科學(xué)研究所(Allen Institute for Brain Science)的神經(jīng)學(xué)家伯格說。“需要很多數(shù)據(jù)才能讓人們相信這些數(shù)據(jù)，但我認(rèn)為我們終于到了這個(gè)階段?！?/p>
運(yùn)用一個(gè)無偏見的試驗(yàn)方法
為了研究神經(jīng)元的形態(tài)，研究人員需要首先在老鼠大腦中其他神經(jīng)元和支持細(xì)胞的混亂中識(shí)別出一個(gè)細(xì)胞，然后用一種特殊的含染料探針注入這個(gè)細(xì)胞，在大腦的一片區(qū)域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行染色。研究小組使用了艾倫研究所(Allen Institute)設(shè)計(jì)的老鼠，這些老鼠攜帶的基因可以讓某些神經(jīng)元在顯微鏡下發(fā)出明亮的顏色，讓研究人員更容易地挑選出單個(gè)神經(jīng)元。然后，研究人員使用同樣的顯微鏡探針，通過研究細(xì)胞對(duì)不同類型的電輸入的反應(yīng)，來讀出細(xì)胞的電活動(dòng)。
由于這些實(shí)驗(yàn)都是勞動(dòng)密集型的，研究小組通常一次研究一種或幾種細(xì)胞類型，這些細(xì)胞類型通常是根據(jù)特定的問題來選擇的。然而，艾倫研究所的研究小組想要以一種廣泛、公正的方式來解決這個(gè)問題，即在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，從大腦的同一區(qū)域研究細(xì)胞，以便更容易地進(jìn)行比較。
古文斯說:“我們不再把細(xì)胞類型列在腦子里，然后把它們分類，而是讓這些分類從數(shù)據(jù)中浮現(xiàn)出來?！薄拔覀冋噲D做到相當(dāng)寬泛，然后看看數(shù)據(jù)的形狀。
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