幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直都認(rèn)為大腦是一個(gè)名副其實(shí)的“黑盒子”，但現(xiàn)在莊小威和 Catherine Dulac已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，打開它。
這兩位女科學(xué)家都在各自的領(lǐng)域取得了卓越的成就——莊小威是著名的華裔女科學(xué)家，早年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)少年班，34歲時(shí)成為了哈佛大學(xué)的化學(xué)和物理雙學(xué)科正教授，是哈佛物理系和化學(xué)系少有的雙科教授。2012年莊教授當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，刷新了美國(guó)科學(xué)院最年輕華人院士的紀(jì)錄。而Dulac也是一位杰出的腦科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家，她在哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)信號(hào)分子機(jī)制方面獲得了許多重要的突破。
這兩位學(xué)者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，創(chuàng)造了第一個(gè)大腦重要區(qū)域的細(xì)胞圖譜。
相關(guān)成果公布在11月2日的Science雜志上，她們利用先進(jìn)的成像技術(shù)，在2mm×2mm×0.6mm的腦塊中檢測(cè)了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，不僅識(shí)別了70多種不同類型的神經(jīng)元，而且還精確定位細(xì)胞所在的位置及其各種功能。
“這讓我們能夠詳細(xì)了解大腦的細(xì)胞，分子和功能組織——之前還沒(méi)有人將這三者結(jié)合起來(lái)，”Dulac說(shuō)，“這項(xiàng)工作本身就是一項(xiàng)突破，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在以前所未有的方式解析了一些行為，但其真正的意義在于，這種技術(shù)可以被用于研究大腦任何區(qū)域的任何功能?！?/strong>
研究的出發(fā)點(diǎn)
這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)是為了回答Dulac提出的基本生物問(wèn)題，并解決隨之而來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。
“這個(gè)問(wèn)題是很久以前我們就意識(shí)到的——為了研究大腦，你需要了解它的成分，而這些成分就是細(xì)胞，”Dulac說(shuō)，“因此，如果你采集了一塊組織，觀察細(xì)胞表達(dá)的基因，它會(huì)告訴你有多少細(xì)胞類型......但這仍然會(huì)給你留下一個(gè)大問(wèn)題。”
因?yàn)檫@需要研究人員將細(xì)胞與組織分離，并且在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)丟失一些寶貴的信息，比如細(xì)胞如何在組織中組織起來(lái)的。
“如果你真的想要了解大腦，那么就需要空間背景，因?yàn)榇竽X不像肝臟或其他器官，細(xì)胞以對(duì)稱的方式組織。大腦是不同的，它具有神經(jīng)元的這種拓?fù)渑帕蟹绞?..所以我們希望能夠看到大腦的一部分，看看那里有哪些細(xì)胞，看到它們?cè)谀睦镆约爸車心男╊愋偷募?xì)胞?！?/p>
幸運(yùn)的是，近年來(lái)莊小威實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了完美的工具（Multiplexed Error-Robust Fluorescence In-Situ Hybridization，簡(jiǎn)稱MERFISH）。這一技術(shù)可以在單細(xì)胞水平上實(shí)現(xiàn)空間分辨的高度多重化RNA分析，打破了目前的技術(shù)限制。
MERFISH——重磅技術(shù)
隨著STORM（一種超分辨率成像技術(shù)）的發(fā)展，研究人員可以對(duì)具有納米級(jí)分辨率的單個(gè)分子進(jìn)行成像，莊小威研究組不僅對(duì)單個(gè)分子類型進(jìn)行成像，而且可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)的所有活動(dòng)分子進(jìn)行成像。
“我們的細(xì)胞中不是僅僅只有一兩種不同的分子，我們有成千上萬(wàn)的基因被表達(dá)，這一才能完成細(xì)胞功能，”莊小威說(shuō)。“我希望能夠同時(shí)對(duì)所有這些基因進(jìn)行成像，這就是我們開發(fā)MERFISH的原因?！?/p>
MERFISH方法的工作原理是將“條形碼”分配給細(xì)胞的RNA，讓它們與DNA探針庫(kù)雜交，賦予這些條形碼意義，然后通過(guò)成像讀出這些條形碼，確定單個(gè)RNA分子的特性。這樣通過(guò)多輪成像，就能同時(shí)讀出許多不同的條形碼。
“這種方法的一個(gè)重要特性是可以讓成像的基因數(shù)量和成像輪次數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。如果你想分析10,000個(gè)基因，你可以嘗試徒手方法，一次做一個(gè)，但當(dāng)然沒(méi)有人會(huì)嘗試過(guò)。MERFISH方法非常強(qiáng)大，因?yàn)樗梢宰屛覀兂上癫^(qū)分大約10輪成像中成千上萬(wàn)不同的RNAs?！?/p>
莊小威及其同事在MERFISH中建立了一種糾錯(cuò)方法，確保正確讀取條形碼。這里有個(gè)特異性問(wèn)題，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)單個(gè)錯(cuò)誤可能導(dǎo)致一個(gè)代碼被誤讀為另一個(gè)有效代碼，為此研究人員采用了條形碼子集，只有在多個(gè)錯(cuò)誤同時(shí)發(fā)生時(shí)才會(huì)被誤讀，從而大大降低了錯(cuò)誤識(shí)別的可能性。
“我們發(fā)明MERFISH的主要應(yīng)用之一是原位鑒定細(xì)胞類型，因?yàn)椴煌募?xì)胞類型具有不同的基因表達(dá)譜。因此，這些基因表達(dá)譜為細(xì)胞類型鑒定提供了定量和系統(tǒng)的方法，”莊小威說(shuō)，“因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)MERFISH成像在完整的組織中做到這一點(diǎn)，我們也可以提供這些細(xì)胞類型的空間組織。”
有了MERFISH，她們開始著手解決那些長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的基本生物學(xué)問(wèn)題。
大腦的奧秘
“大腦中有一些區(qū)域已經(jīng)被研究過(guò)了，比如皮質(zhì)，從中科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞是以特定的方式組織的，但是對(duì)于很多大腦其它區(qū)域，我們還不知道組織原則，”Dulac說(shuō)，“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中關(guān)注的區(qū)域，就是下丘腦，這是一個(gè)重要的大腦區(qū)域，可以控制口渴，喂養(yǎng)，睡眠和社交行為，如育兒和生育，但我們不知道這種結(jié)構(gòu)是怎樣組織的?！?/p>
為了解開這個(gè)謎團(tuán)，研究人員將MERFISH與單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNAseq）結(jié)合在一起，從而能對(duì)細(xì)胞的基因表達(dá)譜進(jìn)行無(wú)偏序量化?！斑@不僅能在下丘腦中分類細(xì)胞類型，而且還提供了這些細(xì)胞類型的分子特征，并方便MERFISH成像基因組的選擇，”莊小威說(shuō)。
基于這些分子特征和其他具有重要功能的基因，他們使用MERFISH同時(shí)對(duì)整個(gè)下丘腦視前區(qū)域的150多個(gè)基因進(jìn)行成像，原位識(shí)別細(xì)胞類型，創(chuàng)建細(xì)胞所在位置的空間圖。
“scRNAseq和MERFISH能讓我們識(shí)別出大約70種不同的神經(jīng)元亞型，其中大部分是以前未知的”莊小威說(shuō)，“MERFISH成像使我們另外能夠看到所有70種神經(jīng)元類型的空間分布，以及非神經(jīng)類型的空間分布?！?/p>
“你可以看到，有一個(gè)精密的空間組織，向我們跳躍，還可以看到哪些神經(jīng)元彼此相鄰......不僅如此，因?yàn)槲覀兊膱D像是分子的，所以可以確定這些細(xì)胞是如何相互通信的。此外，由于MERFISH成像具有非常高的靈敏度，可以識(shí)別對(duì)細(xì)胞功能至關(guān)重要的低表達(dá)基因?！?/p>
有了這些信息，研究團(tuán)隊(duì)著手將特定細(xì)胞與特定行為聯(lián)系起來(lái)，分析一種名為c-Fos的基因。
c-Fos被稱為“immediate early”基因，在神經(jīng)活動(dòng)期間增加，因此如果研究人員能夠追蹤哪些細(xì)胞出現(xiàn)了這種基因的增加，他們就可以識(shí)別在特定行為期間被激活的細(xì)胞。
“這樣，我們可以用前所未有的方式來(lái)定義哪些細(xì)胞參與特定行為，”Dulac說(shuō)，“這非常精確，極其定量，我們可以看到那些細(xì)胞在哪里......所以它是細(xì)胞圖，分子圖和功能圖，三者結(jié)合在一起?！?/p>
除了育兒行為之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞負(fù)責(zé)的其他行為，比如攻擊和交配，還有一些有趣的發(fā)現(xiàn)：小鼠是父母，還是首次交配，會(huì)帶來(lái)細(xì)胞的差異。
未來(lái)，Dulac和莊小威希望進(jìn)一步探索下丘腦的結(jié)構(gòu)，比如更好的了解細(xì)胞如何相互連接的方法。
而且和研究結(jié)果一樣重要的是，這項(xiàng)工作也成為合作研究的一個(gè)典范。
“這才是我們所希望的最佳合作，”莊小威說(shuō)，“我們兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)知識(shí)相得益彰，我們彼此都學(xué)到了很多東西?！?/p>
原文標(biāo)題：
Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region
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