首张单细胞人脑"图谱"前所未有地揭示了大脑的内部结构

一项全球合作绘制了世界上最全面的灵长类动物大脑图谱，包含420万个细胞，揭示了特定区域的功能以及与神经系统疾病的关联，为未来的大脑研究和疾病干预铺平了道路。对400多万个细胞进行分析，制作出迄今为止最大的图谱，帮助探索人类大脑的进化以及疾病和治疗的新目标。

科学界长期以来的一个谜团是，1亿多个独立的神经元如何协同工作形成一个网络，从而构成我们这个人的基础--人类的每一种思想、情感和行为。

作为美国国立卫生研究院"脑细胞普查网络"（BrainInitiativeCellCensusNetwork）项目的一部分，绘制这些细胞群的图谱并发现它们的功能一直是全球数十名21世纪分子制图师的长期目标。该地图集的总体目标是帮助神经科学研究的发展。该项目的希望是让科学家们能够更好地了解大脑疾病以及自闭症和抑郁症等疾病背后难以解开的医学谜团。

现在，一系列新研究以前所未有的水平和规模揭示了大脑内部分子运作的广泛特征。

为了更好地了解人类和动物大脑的进化过程，由亚利桑那州立大学、宾夕法尼亚大学、华盛顿大学和布罗特曼-巴蒂研究所的科学家领导的研究小组绘制了世界上最大的灵长类动物大脑图谱。

高级合著者、亚利桑那州立大学生命科学学院和进化与医学中心副教授诺亚-斯奈德-麦克勒（NoahSnyder-Mackler）说："绘制成年灵长类动物大脑中哪些细胞在哪里以及它们在做什么，对于理解人类认知和行为的进化以及确定当事情出错并导致神经系统疾病时会发生什么至关重要。"

他们的目标是识别和检查许多脑细胞（神经元和非神经元），并利用最先进的单细胞技术进行全面的分子分析。

为此，他们使用了来自30个不同脑区的样本，逐个细胞绘制并建立了新的图谱。最终绘制的图谱由420万个成年灵长类动物大脑细胞图谱组成。

华盛顿大学基因组科学教授兼布罗特曼-巴蒂研究所（BrotmanBatyInstitute）主任、资深合著者杰伊-申杜雷（JayShendure）说："我们的数据是迄今为止灵长类动物中最大、最全面的多模态分子图谱，对于探索大脑中的许多细胞如何结合在一起，从而产生包括人类在内的灵长类动物的复杂行为至关重要。"

高级合著者、宾夕法尼亚大学神经科学系、心理学系和市场营销系教授迈克尔-普拉特（MichaelPlatt）说："这些数据还将为复杂的人类相关社会行为和疾病提供关键且急需的地图，并为确定这些细胞和网络在不同物种间的异同提供基础。"

科学家们对每个细胞核的基因表达（258万个转录组）和一整套互补DNA基因调控区（159万个表观组）进行了分析。综合起来，这种"多组学"分析使作者能够研究构成不同脑细胞类型的分子蓝图，从而有机会更详细地研究甚至操纵关键细胞。

通过基因表达谱，他们能够识别出数百种分子上截然不同的脑细胞类型。他们还发现，整个大脑的细胞组成差异很大，揭示了特定区域功能的细胞特征，从参与脑细胞交流的神经递质到帮助供养和保护大脑免受阿尔茨海默氏症等疾病侵害的支持细胞。

他们利用数据研究了与神经系统疾病、失调、综合症、行为或其他特征风险相关的53种表型。他们的研究结果捕捉到了与神经系统疾病有关的细胞类别的已知作用，包括与心肌栓塞性中风或缺血性中风有关的细胞，而心肌栓塞性中风是导致神经系统疾病死亡的主要原因。

他们还发现，与阿尔茨海默病有关的基因往往位于小胶质细胞--大脑中保护神经元的主要免疫细胞才能进入的DNA调控区域内，这与全基因组关联研究（GWAS）发现的小胶质细胞增殖和激活在阿尔茨海默病中的突出作用相一致。

他们发现的许多调控区域都是新的，这使得研究小组能够在细胞水平上探索神经疾病风险的遗传结构。共同第一作者、亚利桑那大学进化与医学中心和生命科学学院博士后KennethChiou说："我们发现了神经系统疾病的遗传风险与特定细胞类型的表观基因组状态之间的许多关联--其中一些尚未被联系起来。"

另一类细胞--篮状细胞--富集了最多的GWAS表型，包括精神分裂症、双相情感障碍、重度抑郁障碍等疾病，以及最强烈的癫痫。他们还发现，在神经胶质OPC、少突胶质细胞和星形胶质细胞类的开放区域中，帕金森病相关位点也很丰富。

最后，他们在分析中发现，与注意力缺陷/多动症（ADHD）相关的遗传位点仅在中棘神经元的开放区域中富集。中刺神经元通过激活星形胶质细胞介导的突触生成，与行为多动和注意力紊乱有关。他们的研究结果表明，中刺神经元可能是未来多动症相关研究的一个很有前途的新靶点。

现在，"多原子"图谱共同为全球研究界提供了一个开放资源，用于进一步研究人类大脑的进化和确定疾病干预的新靶点。