研究大脑细胞发育关系的新方法

我们的大脑极其复杂，它执行着无数复杂的过程，使我们能够思考、行动和感觉。这是可能的，因为大脑中不同类型的细胞有巨大的多样性，每一种都有非常特定的功能。马克斯·普朗克神经生物学研究所的研究人员与一个国际团队一起调查了这种多样性是如何产生的。他们建立了一种方法来分析小鼠大脑中细胞类型的发育关系。他们的研究结果表明，细胞类型的相似性并不是关系程度的衡量标准:细胞类型相似的细胞通常是不相关的。相反，不同类型的细胞可以有相同的起源。

我们的身体由数百种细胞组成，每种细胞都有非常特定的功能。这些细胞它们的性质可以有很大的不同——例如，通过比较血细胞和皮肤细胞就可以清楚地看到这一点。然而，每个细胞都携带着相同的遗传信息。这种多样性是可能的，因为细胞并不使用所有这些信息。每种细胞类型只激活它真正需要的基因。然后，这个子集被翻译成RNA和蛋白质，形成一种非常特定的细胞类型。

大多数细胞的命运是在发育过程中决定的。非特化细胞成熟为特定细胞类型的过程称为分化。没有分化，一个受精卵细胞就不能产生具有不同组织类型的有机体。最初，卵细胞能够形成任何类型的细胞。在其后代细胞中，这种能力逐渐减弱，因此在胚胎发育结束时，细胞通常只能分化成一种特定的细胞类型。

大脑中有很大的变化

在大脑中发现了种类特别多的细胞类型，其中大多数是神经胶质细胞和神经元。这些细胞可以进一步分为各种专门的细胞类型:仅抑制性神经元就有100多种不同的类型。它们起源于神经前体细胞在发展初期，分裂了好几次。随后，它们的子细胞产生不同类型的细胞。

一个尚未解决的问题是，这种巨大的细胞类型的多样性是如何从未分化的细胞中产生的祖细胞在人类体内只需要几周，在小鼠体内只需要几天。克里斯蒂安·梅尔领导的一个国际团队研究了小鼠大脑中细胞多样性的机制。研究人员特别感兴趣的是不同的细胞类型是否可以起源于单一的祖细胞，以及在发育过程中的什么时间点神经元的命运会被决定。

由人造DNA制成的条形码

科学家们开发了一种标记祖细胞的新技术。为此，他们创造了数百万个人工DNA序列，即所谓的条形码。通过在每个细胞中插入一个条形码，成千上万的祖细胞被唯一地标记——类似于我们所知道的用于扫描消费品的条形码。当一个被标记的细胞分裂时，它将条形码传递到它的细胞上子细胞这样就有可能确定哪些细胞是彼此遗传而来的。研究人员将这种方法与单细胞RNA测序相结合，单细胞RNA测序可以识别细胞中的所有活性基因。基于这些信息，他们能够将条形码标记的细胞分为不同的细胞类型。

通过结合这两种方法，科学家们表明，细胞类型和它们之间的相似性不能用来对发育关系做出假设:与通常认为的相反，相似细胞类型的细胞往往无法追溯到发育的共同起源。这意味着不相关的祖细胞可以产生相似的细胞类型(趋同)。

不同的细胞类型来自同一个祖细胞

科学家们还能够在抑制性神经元中证明相反的情况:即使不同大脑结构中的不同细胞类型也可以起源于相同的祖细胞(分化)。在这种情况下，祖细胞似乎决定了神经元的命运，因此分化开始于祖细胞，而不是后来由于外部信号。因此，一个祖细胞可以产生多种神经元细胞类型令人惊讶的是，直到发育后期，人们都认为这种潜力已经不存在了。

科学家们预计，基于这些结果，神经发育障碍将在未来得到更好的理解。例如，检查细胞的发育关系可以提供关于为什么某些神经元群体受到导致神经和精神疾病的基因突变的影响的信息。此外，这种新方法可以扩展到任何其他组织类型，从而开辟了一个巨大的可能应用范围。