索爾克研究所的研究人員對小鼠的200多萬個腦細胞進行了分析，繪製出了迄今為止最完整的小鼠大腦圖譜。他們的研究成果發表在2023年12月13日出版的《自然》（Nature）特刊上，不僅詳細介紹了大腦中存在的數千種細胞類型，還介紹了這些細胞是如何連接的，以及每個細胞中活躍的基因和調控程序。

這些工作由美國國立衛生研究院的”通過推進創新神經技術進行大腦研究計劃”（BRAINInitiative）負責協調，該計劃的最終目標是為哺乳動物的大腦繪製一幅全新的動態圖像。

索爾克教授、遺傳學國際理事會主席、霍華-休斯醫學研究所研究員約瑟夫-埃克（Joseph Ecker）說：「透過這項工作，我們不僅獲得了關於哪些細胞構成了小鼠大腦的大量訊息，也了解了這些細胞內的基因是如何被調控的，以及這些基因是如何驅動細胞功能的。當利用這個基於表觀基因組的細胞圖譜，開始研究已知會導致人類疾病的基因變異時，就會對哪些細胞類型在疾病中可能最脆弱有了新的認識”。

美國國立衛生研究院大腦計畫於2014 年啟動，已為研究人員提供了30 多億美元的資金，用於開發變革性技術並將其應用於腦科學。

2021年，得到”腦神經啟示錄計劃”（BRAIN Initiative）支持的研究人員–包括索爾克（Salk）的團隊–公佈了小鼠大腦圖譜的初稿，該圖譜開創了描述神經元特徵的新工具，並將這些工具應用於小鼠大腦的小切片。今年早些時候，許多相同的技術被用於繪製最初的人腦圖譜。在最新的工作中，研究人員擴大了研究細胞的數量和小鼠大腦的區域，並使用了過去幾年才出現的新的單細胞技術。

左上圖：解剖小鼠大腦的三維效果圖，根據解剖的腦區劃分為不同的部分；左下圖：小鼠大腦的三維效果圖，根據解剖的腦區劃分為不同顏色的部分（黃色、藍色、水藍色、綠色、粉紅色、橘色、棕色、紅色）。

右上：小鼠大腦的垂直切片，不同顏色（橘色、綠色、藍色、水藍色、紅色、紫色）代表不同細胞類型，代表特定細胞類型在該切片中的空間位置；右下角：小鼠大腦的垂直切片，不同顏色（橘色、綠色、藍色、水藍色、紅色、紫色）代表不同細胞類型，代表特定細胞類型在該切片中的空間位置：多色圓圈（黃色、藍色、水藍色、綠色、粉紅色、橙色、棕色、紅色）代表根據表觀基因組剖析在小鼠整個大腦中發現的細胞類型的數量和多樣性。資料來源：索爾克研究所

全腦分析與公眾可近性

兩篇新論文的資深作者愛德華-卡拉韋教授說：”這是整個大腦的研究，以前從未有過。觀察整個大腦會產生一些想法和原理，而這些想法和原理是你每次觀察一個部分所無法了解的”。

為了幫助其他研究小鼠大腦的研究人員，新數據透過一個線上平台公開發布，不僅可以透過資料庫進行搜索，還可以使用人工智慧工具ChatGPT 進行查詢。

索爾克研究教授瑪格麗塔-貝倫斯（Margarita Behrens）補充說：”將小鼠作為模式生物的人非常多，這為他們在涉及小鼠大腦的研究中提供了一個非常強大的新工具。”

這期《自然》特刊共刊登了10 篇美國國立衛生研究院大腦計畫（NIH BRAIN Initiative）的文章，其中4 篇由索爾克研究人員合著，描述了小鼠大腦的細胞及其連結。這四篇論文中的亮點包括

單細胞DNA 甲基化圖譜

為了確定小鼠大腦中的所有細胞類型，索爾克研究人員採用了一次分析一個腦細胞的尖端技術。這些單細胞方法既研究細胞內DNA的立體結構，也研究DNA上附著的甲基化學基團的模式–這是基因受細胞控制的兩種不同方式。2019年，埃克的實驗室小組開創了同時進行這兩項測量的方法，這讓研究人員不僅能研究出不同細胞類型中哪些基因程序被激活，還能研究出這些程序是如何開啟和關閉的。

研究小組發現了基因在不同細胞類型中透過不同方式被活化的例子，就像用兩個不同的開關打開或關閉電燈一樣。了解了這些重疊的分子迴路，研究人員就能更容易發展出乾預腦部疾病的新方法。

埃克實驗室的博士後研究員、本文第一作者劉漢清說：「如果你能了解這些細胞類型中所有重要的調控元素，你也就能開始了解細胞的發育軌跡，這對了解自閉症和精神分裂症等神經發育疾病至關重要。”

研究人員也對大腦的哪些區域含有哪些細胞類型有了新的發現。在對這些細胞類型進行編目時，他們還發現腦幹和中腦的細胞類型遠遠多於大得多的大腦皮質–這表明大腦的這些較小部分可能進化出了更多的功能。

單細胞染色質圖

另一種間接確定DNA結構以及細胞正在積極利用哪段遺傳物質的方法是測試哪些DNA可以被其他分子結合。加州大學聖地牙哥分校的任兵（Bing Ren）領導的研究人員（包括索爾克的埃克和貝倫斯）利用這種稱為染色質可及性的方法，繪製了來自117隻小鼠的230萬個腦細胞的DNA結構圖。

然後，研究團隊利用人工智慧，根據這些染色質可及性模式，預測DNA的哪些部分是細胞狀態的整體調控因子。他們發現的許多調控元件都位於DNA片段中，而這些DNA片段已經與人類腦部疾病有牽連；關於哪些細胞類型使用哪些調控元件的新知識有助於確定哪些細胞與哪些疾病有牽連。

神經元投射與連接

在另一篇貝倫斯、卡拉韋和艾克共同撰寫的論文中，研究人員繪製了整個小鼠大腦神經元之間的連結圖。然後，他們分析了這些圖譜與細胞內甲基化模式的比較。這讓他們發現了哪些基因負責引導神經元到達大腦的哪些區域。

埃克實驗室的博士後研究員、論文的共同第一作者周景天（音譯）說：”我們發現了某些規則，這些規則根據細胞的DNA甲基化模式決定細胞投射到哪裡。”

神經元之間的連結對其功能至關重要，而這套新規則可能有助於研究人員研究疾病中出現問題的原因。

比較小鼠、猴子和人類的運動皮質

運動皮質是哺乳動物大腦中參與計畫和執行自主肢體運動的部分。貝倫斯、埃克和任領導的研究人員研究了來自人類、小鼠和非人靈長類運動皮層的20 多萬個細胞的甲基化模式和DNA 結構，以更好地了解運動皮層細胞在人類演化過程中的變化。他們能夠確定特定調控蛋白的演化與基因表現模式演化之間的相關性。他們還發現，近80% 的人類特有的調控元件是可轉座元件–DNA 的移動小段，可以輕易改變在基因組中的位置。

「我認為，總的來說，這一整套研究為其他人未來的研究提供了藍圖，」索爾克分子神經生物學文森特-科茨講座教授卡拉韋說。”研究特定細胞類型的人現在可以查看我們的數據，了解這些細胞的所有連接方式以及它們的所有調控方式。這是一種資源，可以讓人們提出自己的問題”。

編譯自: ScitechDaily