按細(xì)胞類型組裝大腦接線圖——START法

一項(xiàng)新技術(shù)可以同時(shí)識(shí)別小鼠大腦中的神經(jīng)元類型并繪制出它們之間的連接圖。研究人員說，該工具結(jié)合了神經(jīng)元追蹤和單細(xì)胞測序，可以幫助揭示細(xì)胞的身份如何影響皮質(zhì)功能。

這種方法被稱為START，即“狂犬病毒輔助單轉(zhuǎn)錄組追蹤（single transcriptome assisted rabies tracing）”，它根據(jù)細(xì)胞的基因表達(dá)將細(xì)胞分組，并追蹤它們之間的聯(lián)系。研究表明，如果一個(gè)群體表現(xiàn)出不同的連接模式，那么它很可能代表了一個(gè)不同的亞型。通過將該工具應(yīng)用于小鼠視覺皮層，研究小組確定了抑制神經(jīng)元的幾個(gè)亞組之間的聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)了可能在人類中保守的相互作用。

斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）神經(jīng)科學(xué)副教授Xin Jin表示：“這不僅代表了技術(shù)上的突破，而且為思考是什么決定了細(xì)胞類型提供了一個(gè)新的框架。”他沒有參與這項(xiàng)研究。

索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）系統(tǒng)生物學(xué)教授、研究人員Edward Callaway說，START的發(fā)現(xiàn)可以用來產(chǎn)生關(guān)于皮層回路如何工作的假設(shè)。他說：“要了解任何復(fù)雜系統(tǒng)的工作原理，你需要一個(gè)零件清單和一個(gè)顯示這些零件如何協(xié)同工作的接線圖。”

過去由Callaway和其他研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究，代表大腦倡議細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了零件清單。利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)與其他技術(shù)相結(jié)合，該聯(lián)盟確定了小鼠大腦中約5000種神經(jīng)元亞型。現(xiàn)在Callaway和他的同事們正在研究這些單個(gè)細(xì)胞類型的接線圖。

在這種情況下，該小組將轉(zhuǎn)錄組學(xué)與狂犬病追蹤相結(jié)合，這也是Callaway團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種方法。通過用一種改良的狂犬病毒感染神經(jīng)元，這種病毒只能在突觸連接的細(xì)胞之間跳躍，研究人員可以追蹤選定神經(jīng)元的直接連接。

他們使用這種技術(shù)來追蹤抑制性神經(jīng)元，因?yàn)樗鼈兊亩坛踢B接可以在單個(gè)400立方微米的組織樣本中檢測到。更重要的是，抑制性神經(jīng)元的多樣性令人難以置信，即使在屬于同一細(xì)胞類型的神經(jīng)元之間，這種個(gè)性也使得將抑制性神經(jīng)元與某些大腦功能相匹配變得棘手。這不僅代表了技術(shù)上的突破，而且為思考是什么決定了細(xì)胞類型提供了一個(gè)新的框架。

研究小組追蹤了小鼠視覺皮層中抑制性神經(jīng)元與興奮性細(xì)胞的相互作用，然后對35000多個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞核進(jìn)行了測序。他們根據(jù)基因表達(dá)的相似性確定了大約50種抑制性神經(jīng)元亞型。通過追蹤先前描述的視覺皮層回路，如皮層第五層內(nèi)已知的相互作用，驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)。但是當(dāng)他們將細(xì)胞分成轉(zhuǎn)錄組亞型時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了以前未知的聯(lián)系。

例如，血管活性腸肽(VIP)-表達(dá)神經(jīng)元-先前已知抑制其他抑制性神經(jīng)元-由兩組組成，要么尋求或避免與興奮性細(xì)胞連接。這些發(fā)現(xiàn)暗示VIP神經(jīng)元的研究可能因?yàn)榛旌狭硕喾N功能相反的細(xì)胞類型而受到阻礙。

研究還發(fā)現(xiàn)，一種第六層興奮性神經(jīng)元（已知投射到丘腦，調(diào)節(jié)對睡眠和記憶形成很重要的慢波節(jié)律）的大部分輸入來自一種罕見的表達(dá)生長抑素的神經(jīng)元亞型Chodl細(xì)胞。雖然Chodl細(xì)胞只占生長抑素神經(jīng)元的1%，但它們形成了與這些神經(jīng)元的20%以上的連接。

這種優(yōu)先的相互作用可能代表了一種跨物種保守的電路基序。Callaway的團(tuán)隊(duì)下一步要做的是觀察視覺回路是否在小鼠大腦的其他皮層區(qū)域，以及腦腫瘤或癲癇手術(shù)后捐贈(zèng)的人體組織中重復(fù)出現(xiàn)。研究結(jié)果發(fā)表在9月30日的《Neuron》雜志上，測序數(shù)據(jù)也可在GEO上公開獲取。這種方法有助于解決基于轉(zhuǎn)錄差異分配細(xì)胞類型身份的“一個(gè)主要爭議領(lǐng)域”。

此前，研究人員一直不確定不同的基因表達(dá)模式是否反映了神經(jīng)元身份的差異，或者只是細(xì)胞通路的波動(dòng)。但是Kriegstein說，觀察細(xì)胞是否有不同的連接模式使得區(qū)分細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)成為可能。

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