尽管我们所有的细胞共享相同的DNA，但人类大脑中有数千种不同的细胞类型，每种细胞都有独特的结构和功能。神经科学中一个长期存在的问题是确定基因是如何开启和关闭以形成大脑中不同类型细胞的镶嵌。今天，加州大学圣地亚哥分校医学院的科学家发表了两项新研究，使我们更接近解决这个谜团。
研究人员分析了来自小鼠的230多万个单个脑细胞，以创建小鼠大脑的综合地图，并使用人工智能来帮助预测用于确定脑细胞类型的DNA片段。研究人员还观察了人类和灵长类动物的大脑，以研究细胞用于打开和关闭基因的过程的进化。研究结果发表在2023年12月14日的《自然》特刊上。
“细胞的DNA就像它的语言，”资深作者、加州大学圣地亚哥分校医学院教授任兵博士说。“就像许多语言都有某些共同的词根一样，某些基因和基因表达模式在不同物种中是保守的。学习理解和解释大脑的分子语言可以帮助我们更多地了解大脑是如何工作的，以及在神经精神疾病中大脑会发生什么。”
这两篇新论文是由加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)、索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological studies)、艾伦脑科学研究所(Allen Institute for brain Science)和其他机构的研究人员领导的10项研究的一部分，这些研究描述了哺乳动物大脑的第一个完整细胞类型图谱。这项研究是美国国立卫生研究院通过推进创新神经技术®倡议或大脑倡议®的大脑研究的一部分，该倡议于2014年启动，旨在加深我们对人类思维内部运作的理解，并改善我们如何治疗，预防和治愈大脑疾病。
Ren说:“这项工作帮助我们在细胞水平上建立了对大脑的基本了解。”“这将有可能在我们的基线和患有神经和精神疾病的大脑之间进行比较。以这种方式研究大脑可以帮助我们发现治疗这些疾病的新方法。”
大脑计划下最雄心勃勃的项目之一是细胞普查网络(BICNN)，它试图以前所未有的分子细节描述人类脑细胞，将它们分类为更精确的亚型，精确定位它们在大脑中的位置，并追踪细胞特征在一生中是如何变化的。今年早些时候，任和BICCN的其他科学家首次发表了人类大脑图谱，其中确定了100多种脑细胞。他们的新小鼠大脑图谱补充了这项工作，并通过对不同物种的大脑进行比较来扩展这项工作。
例如，通过将老鼠的大脑与人类和非人类灵长类动物的大脑进行比较，研究人员发现，特定细胞类型的基因表达模式比跨细胞类型共享的模式进化得快得多。这可以帮助解释为什么大脑中有这么多不同类型的细胞。
索尔克生物研究所教授约瑟夫·埃克博士说:“人类已经进化了数百万年，其中大部分的进化史是与其他动物共享的。”他与任共同领导了一项新研究。“仅仅来自人类的数据永远不足以告诉我们所有我们想知道的关于大脑如何工作的信息。通过用其他哺乳动物物种填补这些空白，我们可以继续回答这些问题，并通过提供更多数据来改进我们使用的机器学习模型。”
虽然BRAIN倡议和BICCN仍是正在进行的项目，但一些见解已经被证明与人类疾病有关。例如，研究人员发现，许多决定细胞类型的基因程序位于已经与人类疾病有关的基因组部分，如多发性硬化症、神经性厌食症和烟草使用障碍。这有助于阐明神经精神疾病是如何影响大脑的。
“大脑不是同质的，疾病对大脑所有部分的影响也不是均等的，”任教授说。“从这项研究和整个BRAIN计划中获得的见解正在帮助我们更好地了解哪些类型的细胞在特定疾病中受到影响。我们希望这将为更精确、更有针对性的治疗铺平道路，在不影响大脑其他部分的情况下治愈患病细胞。”
第一项研究的完整链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06824-9
第一项研究的共同作者包括:祖松鹏，杨Eric Li，王康利，Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral，王岳来，Andre Chu，谢洋，Michael Miller，徐杰，王兆宁，张凯，贾伯静，侯晓萌，李斌，Samantha Kuan, Zihan Wang, Jingbo Shang, Allen Wang和Sebastian Preissl，索尔克生物研究所的刘汉清，周景天，Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Michael Nunn和M. Margarita Behrens，以及Kimberly A. Smith。Bosiljka Tasic，姚子珍和曾宏奎在艾伦脑科学研究所。
第一项研究得到了美国国立卫生研究院BRAIN计划(资助U19MH114831和U19MH114830)的部分支持。
第二项研究的完整链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06819-6
第二项研究的共同作者包括:Nathan R. Zemke, Ethan J . Armand, Seoyeon Lee，周景天，Yang Eric Li，李道峰，卓晓宇，Vincent Xu和Michael Miller，加州大学圣地亚哥分校的王文亮，刘汉清，田伟，Joseph R. Nery, Rosa G Castanon, Anna Bartlett, Julia K. Osteen, Salk生物研究所的Edward M. Callaway, Margarita Behrens和Joseph R. Ecker，华盛顿大学医学院的李道峰，卓晓宇，Vincent Xu和Ting Wang，普林斯顿大学的Fenna M. Krienen，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的张强歌和冯国平，艾伦脑科学研究所的纳兹·塔斯金，乔纳森·廷和埃德·s·莱因，以及哈佛医学院的史蒂文·a·麦卡罗。
第二项研究得到了NIH BRAIN计划的部分支持(拨款U19MH11483, U19MH114831-04s1, 5U01MH121282和UM1HG011585)。
