“精确映射5万个大脑神经元 MAPseq或改变神经科学”

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本科技信息4月9日，据国外媒体报道，冷泉港实验室研究人员开发了一种新方法——基于测序技术的多重分解( mapseq )技术，能准确映射大脑皮层神经元和相互之间纷繁复杂的联系，并可用于各种神经学研究的准确大脑 这将推动神经科学的迅速发展。

神经学家托尼·扎多尔( tony zador )坐在冷泉港实验室院区的办公室里，把桌上的电脑显示器对准我，展示了许多纷繁复杂的矩阵图。 它看起来像一个由不同颜色和渐变图案组成的矩阵。 扎德漫不经心地说。 “当我告诉人们我发现了千万个神经元的联系，并把它展示给他们的时候，他们只是‘诶？ 只是说“。 但是当我把这个给人们看的时候……”，他点击画面上的按钮，显示屏上出现了透明的大脑三维模型，沿着中心轴不断旋转，其间充满了无数的节点和线。 “他们立刻问道:‘那是什么！ “”。

扎德给我们看了老鼠大脑皮质的50，000个神经元的连接图。 每个神经元的细胞所在位置，清楚地表明了这些神经元突触延伸到哪里。 从来没有人画过这样的尺寸和详细的神经映射。 扎多尔放弃了使用荧光标记神经元的传统脑图测绘，采用了有效利用长岛冷泉港分子生物学研究成果的罕见方法。 他利用少量的基因组新闻，将独特的rna序列或“条形码”注入单个神经元，像切蛋糕一样切成块状的立方体，最后将这些细小的碎片放入dna测序仪进行分解。 结果，小鼠大脑皮质的50，000个神经元的三维渲染模型被描绘在单个神经元细胞的分辨率水平上。

这部作品被称为扎多尔的大作，现在也完全现存。 但在最近发表于著名科学杂志《自然》的论文中，扎德和同事们表示，这种被称为mapseq (基于测序技术的多重分解)的技术可以用于发现新的细胞类型和前所未有的映射模式。 这篇论文还表明，与传统的荧光技术相比，这种新的高通量映射方法在精度上有很强的竞争力。 荧光技术现在谈到的是绘制脑图的黄金标准，据说在分解少量神经元方面效果最好。

这个项目是神经生理学家扎多尔在“日常工作”中面临的难题中诞生的。 扎多尔正在研究啮齿动物的听觉决定。 大脑如何听声音，解决音频新闻，决定适当的行为习惯？ 电生理记录和处理这些问题的其他以前的传输工具，使名叫扎多尔的数学专家对其结果不满意。 扎多尔认为，根本问题是对神经元电路的理解不足，这就是他追求“第二工作”，创造大脑成像工具的原因。

脑图测绘技术的最新进展是由艾伦脑成像( allen brain atlas )表现出来的。 在许多实验室经过多年的研究，艾伦脑图像的开发费用达到了2500万美元。 艾伦·阿特拉斯( allen atlas )是被称为“大容量连接图像”( bulk connectivity atlas )的老鼠的脑图，因为它可以跟踪已知的神经元亚群，预测特定群体神经元的行为。 虽然对研究者非常有用，但是无法区分不同组和神经元亚群之间的细微差异。

如果想知道老鼠是如何听到尖锐的高音，大脑皮质是如何产生压力反应，记忆记忆的，就需要关于老鼠大脑皮质神经元的清晰图像。 扎多尔说，由于我们对神经回路缺乏明确的认识，有些人在精神疾病的治疗上进展不大，人工智能也没那么聪明。

斯坦福神经科学家施特乌斯·凯布尔( justuskebschull )是论文的作者之一，也是扎德尔实验室的研究生。 他不知道神经元电路而研究神经科学是“试图从外部注意计算机是如何工作的，插入电极以揭示一切……硬盘驱动器是否连接到解决方案，usb接口 「

扎多尔关于mapseq的灵感来自另一种叫brainbow的脑图技术。 后者在哈佛大学jeff lichtman实验室应用效果明显，采用不同的荧光染料组合，对200个单一神经元进行遗传标记，结果形成了迷人、色彩斑斓的神经元连接画面，详细展示了轴突和神经元细胞的多样性和复杂连接。 这项开创性的研究给神经科学家带来了希望，他们认为建立大脑神经元连接的愿望很快就会成为现实。 不幸的是，实践中的技术局限在于，研究人员只能用显微镜识别约5~10种不同的颜色，不足以覆盖大脑皮层多个神经元的连接，一次处理多个神经元映射的课题。

但是扎多尔脑子里出现了不同的想法。 他认识到，如果研究人员能够利用高通量基因组测序技术进步的速度和日益减少的价格，神经元连接的多少和复杂性方面的挑战就会被人们克服。 他解释说:“简化到数学家能够处理问题的程度。”

在mapseq技术中，研究者向实验小鼠注射了带有已知rna序列和条形码的转基因病毒。 在一周以上的时间里，病毒在动物体内繁殖，使各神经元具有关于这些rna序列的独特组合。 如果研究人员将大脑切成小块，rna序列将有助于追踪切片中的单个神经元。

由zador的实验室和伦敦大学研究生院神经科学家thomas mrsic-flogel率领的团队，首先利用mapseq技术跟踪了鼠类视觉系统的近600个神经元的映射。 与老鼠大脑的上千个神经元相比，600个神经元是恰当的开始。 但是，研究者所考虑的实验目的和理由很充分:他们在寻找大脑的连接模式中是否存在对其功能有效的信息结构。 现在流行的理论是，在主管视觉的大脑皮质中，单一神经元从眼睛等内脏器官收集特定的新闻，例如视野内物体的边缘和物体的运动方向。 神经元向大脑中解决这类新闻的单一对应区域发送信号。

为了验证这一理论，该小组首先将遗传编码的荧光染料插入单一细胞，用以前流传的方法对小鼠大脑皮质中的少量神经元进行了图谱。 然后，他们用显微镜追踪这些神经元细胞是如何从第一视觉皮层(从眼睛接受输入的脑区)扩散到大脑其他地方的。 他们发现神经元的轴突在扩大，向多个地区发送新闻，推翻了神经元的一对一映射理论。

接下来，他们开始研究这些映射是否有规则。 他们利用mapseq技术跟踪了591个神经元的映射，发现这些神经元扩散并支配着多个目标神经元。 这个研究小组注意到轴突的分布是有规律的:例如，一点神经元总是把轴突延伸到区域a、b和c，但没有到达d和e

这些结果表明，视觉系统中含有令人眼花缭乱的交叉连接，同时这些连接的模式比一对一映射更复杂。 凯布舒尔指出，“更高级的视觉领域不仅仅是获得根据需求定制的新闻”，相反，由于共享多个相同的输入新闻，他指出“新闻的解决可能是相互关联的”。

但是，一些神经元轴突向特定区域延伸的事实意味着视觉皮层内存在尚未被识别的特殊神经元细胞。 凯布尔说这张脑图就像蓝图，可以让后来的研究者明白这些细胞在做什么。 “mapseq技术可以映射硬件连接。 他说:“一旦了解了硬件，我们就可以开始研究软件，也可以研究计算方法。”

mapseq在映射脑图上的速度和价格有客观的竞争特点:根据扎多尔的说法，这项技术1~2周可以解决10万个神经元，只消耗1万美元。 这比以前流传下来的测绘方法快得多，价格也是后者的一部分。

这样的特征使得大脑神经回路的映射和比较更加可行。 目前关于精神分裂症和自闭症的研究表明这与大脑中神经元连接的差异有关 但是，现有的工具无法捕捉足够的神经连接细节，因此研究者无法着手。 认为在mapseq技术的帮助下，可以制作与小鼠相关的脑图，并与具有各种典型精神疾病的脑图进行对照研究。 艾伦脑科学研究所结构科学部门执行主任曾鸿奎( hongkui zeng )说:“许多精神疾病是神经元电路层面的问题造成的。 关于神经元连接的新闻会告诉你研究的重点在哪里。 ”。

这种高通量的测绘方法还可以让科学家收集大量的神经学数据，寻找反映大脑商业原理的模型。 索尔克研究所( salk institute )的分子神经生物学家sreekanth chalasani说:“托尼用客观的方法注意大脑。 正如人类基因组图谱测试基因学假设，为寻找基因序列和相应功能提供基础设施一样，托尼的做法也对“大脑结构研究”产生了同样的影响。

人类基因组图谱目前还不能完全解释生物学的所有奥秘，但在分子水平上研究分子生物学确实开辟了新的道路。 同样，在目前的开发状态下，mapseq不能提供标记的神经元的功能和位置新闻，也不能表明这些神经元相互交流。 但是，扎多尔计划尽快增加这样的功能。 他与研究大脑各个部分的科学家合作进行研究。

“我认为我们完全可以从连接性中得到见解。 但是基因组本身也很无聊，但是给生物学带来了变革。 所以我很兴奋，”扎多尔说。 “希望能为该行业下一代的业务打下基础。 ”。 (晗冰

来源：安莎通讯社