绘制大脑地图——史无前例的细胞图谱可以识别神经元的类型、位置甚至功能

几十年来，科学家们一直认为大脑是一个名副其实的黑匣子，现在凯瑟琳·杜拉克和庄晓伟准备打开它。

杜拉克是希金斯分子和细胞生物学教授，李和埃兹佩莱塔艺术和科学教授，庄是科学教授大卫·b·阿诺德，是一项新研究的资深作者，该研究首次创建了小鼠大脑一个重要区域的细胞图谱。

利用尖端成像技术，Dulac, Zhuang和同事们在一个2毫米× 2毫米× 0.6毫米的细胞块中检测了超过100万个细胞大脑他们不仅识别出了70多种不同类型的神经元，还精确地指出了细胞的位置及其不同的功能。这项研究发表在11月1日的一篇论文中科学．

杜拉克说:“这让我们对大脑的细胞、分子和功能组织有了一个细致的了解，以前没有人把这三种观点结合起来过。”“这项工作本身就是一个突破，因为我们现在以前所未有的方式理解了一些行为，但它也是一个突破，因为这项技术可以用于大脑的任何地方，用于任何类型的功能。”

这项研究源于一种愿望，即解决杜拉克所说的基本生物学问题，以及随之而来的技术挑战。

“问题是，人们很久以前就意识到，为了研究大脑，你需要了解它的组成部分，而这些组成部分就是细胞，”她说。“所以如果你拿一张纸巾，看看基因由细胞表示，告诉你有多少细胞类型有……但这仍然给你留下了一个大问题。”

她说，这个问题在于，这种技术需要研究人员将细胞从组织中分离出来，在这个过程中，他们失去了一条宝贵的信息——细胞是如何在组织中组织起来的。

杜拉克说:“如果你真的想了解大脑，你需要空间背景，因为大脑不像肝脏或其他器官，那里的细胞以对称的方式组织。”“大脑的不同寻常之处在于它有这种神经元的拓扑排列……所以我们希望能够看到大脑的一部分，看看那里有什么细胞，还有它们在哪里，以及它们周围是什么类型的细胞。”

杜拉克说，幸运的是，庄的实验室近年来开发了工作多路误差的完美工具——稳健荧光原位杂交(简称MERFISH)。

在她开发了STORM(一种超分辨率成像技术，允许研究人员以纳米级分辨率对单个分子成像)之后，庄把她的目光放在了成像上，而不仅仅是单个类型的分子，而是细胞中工作的所有分子。

她说:“我们的细胞中不只有一两种不同的分子，我们有成千上万种基因，它们被表达出来，形成赋予细胞功能的分子机制。”“我希望能够同时对所有这些基因进行成像，这就是我们开发MERFISH的原因。”

MERFISH方法的工作原理是为细胞的RNA分配“条形码”，将它们与DNA探针库杂交以表示这些条形码，然后通过成像读取这些条形码以确定单个RNA分子的身份。通过多轮成像，可以同时读出许多不同的条形码。

她说:“这种方法的一个惊人之处在于可以成像的基因数量和成像轮的数量之间的指数缩放。”“如果你想要观察10000个基因，你可以尝试蛮力方法，一次做一个，但当然没有人会尝试这样做。MERFISH方法非常强大，因为它允许我们在大约10轮成像中成像并区分数千种不同的rna。”

庄和同事们在MERFISH中建立了一种纠错方法，以确保条形码被正确读取。与使用所有可能的条形码相比，一个错误可能导致一个代码被误读为另一个有效代码，该团队选择了一个只有在多个错误同时发生时才会被误读的条形码子集，极大地降低了错误识别基因的几率。

“我们发明MERFISH的主要应用之一是原位识别细胞类型，因为不同的细胞类型有不同的基因表达谱。因此，这些基因表达谱为细胞类型鉴定提供了一种定量和系统的方法。”“因为我们可以通过MERFISH成像在完整的组织中做到这一点，我们也可以提供这些细胞类型的空间组织。”

有了MERFISH，杜拉克、庄和同事们开始着手解决那些长期困扰科学家们的基本生物学问题，这些问题试图了解大脑是如何工作的。

杜拉克说:“大脑中有一些区域已经被研究过，比如皮层，人们注意到细胞以一种特殊的方式组织，但还有很多大脑区域的组织原理我们不知道。”“我们在这项研究中观察的区域，下丘脑，对许多功能都是绝对必要的……它控制着口渴、进食、睡眠以及养育和繁殖等社会行为，但我们不知道这种结构是如何组织的。”

为了解开这个谜团，Dulac和Zhuang将MERFISH与另一种叫做单细胞RNA测序的方法结合起来，这种方法可以对dna进行无偏不倚的量化基因表达谱的细胞。庄说:“这不仅允许在下丘脑中对细胞类型进行编目，而且还提供了这些细胞类型的分子特征，并促进了MERFISH成像基因面板的选择。”

基于这些分子特征和其他具有功能重要性的基因，他们使用MERFISH同时对整个下丘脑视前区域的150多个基因进行成像，以原位识别细胞类型，并创建细胞所在位置的空间地图。

“scRNAseq和MERFISH都使我们能够识别大约70种不同的神经元亚型，其中大多数是以前未知的，”Zhuang说，“MERFISH成像使我们能够额外看到所有70种神经元类型的空间分布，以及那些非神经元细胞类型。”

“你能看到的是一个精致的空间组织，它就在你面前，”庄说。“你可以看到哪些神经元彼此相邻……而且not only that, but because our images are molecular, you can identify how these cells are communicating with each other. Moreover, because MERFISH imaging has a very high sensitivity, we were able to identify lowly expressed genes that are critical to cell function."

有了这些信息，研究小组开始将特定的细胞与特定的行为联系起来，解决方案以一种名为c-Fos的基因的形式出现，Dulac和Zhuang说。

杜拉克说，c-Fos被称为“即早”基因，在神经活动期间，c-Fos的转录会增加，所以如果研究人员能够追踪哪些细胞表现出该基因的增加，他们就可以识别出在特定行为中被激活的细胞。

因此，我们允许动物进行一些行为，例如育儿，当我们观察哪些细胞是c- fos阳性时，我们知道只有这些细胞是育儿行为的一部分，”杜拉克说。“但多亏了MERFISH，我们知道哪些基因在这些细胞中表达。

“因此，我们可以以以前无法做到的方式定义哪些细胞参与了特定的行为，”她继续说。“这是非常精确的，非常定量的，我们可以看到这些细胞在哪里……所以这是一个细胞地图，一个分子地图，一个功能地图，所有这些。”

除了养育外，杜拉克、庄和同事们还发现了负责其他行为的细胞，包括攻击和交配，虽然他们发现了令人惊讶的共同点，但也有有趣的差异，这取决于老鼠是父母还是处女。

展望未来，杜拉克和庄希望进一步探索下丘脑的结构，包括设计更好地理解其结构的方法细胞彼此相连。

杜拉克和庄都说，这项研究的发现非常重要，也应该作为合作力量的一个例子。

庄说:“这真的是人们所能期待的最好的合作。”“我们两个实验室的专业知识互补得很好，我们都从对方身上学到了很多东西。在这一点上，我们觉得我们对下丘脑了解很多，同样凯瑟琳的实验室对MERFISH成像也有很多了解，所以这是一个真正令人兴奋的、有益的过程。”