Science重磅！庄小威开启大脑“黑匣子”，解析细胞与行为之间的联系

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生物探索
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生物探索编者按

几十年来，科学家们一直将大脑视为人体黑匣子，并热衷于解析其中的秘密。近日，上月刚获科学突破奖的华人学者庄小威及其同事开启了这一神秘区域：他们创建了一个小鼠关键脑区域的细胞图谱，利用尖端成像技术检查了大脑一块2mm×2mm×0.6mm区域中的100多万个细胞，不仅识别了70多种不同类型的神经元，而且还精确定位了细胞的位置及其多种功能。

                               
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DOI：10.1126/science.aau5324

这项研究以“Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region”为题发表在《Science》杂志上，作者之一、哈佛大学的Catherine Dulac认为，“这项研究让我们对大脑的细胞、分子和功能组织有了突破性的详细了解，我们以前所未有的方法理解了一些行为，所用技术可以在大脑的任何地方用于任何功能的解析。”

   

01

   

一个难题

前人已经意识到，在脑研究过程中，需要了解它的细胞组成部分，所以，如果拿一块组织来看细胞表达的基因，它会告诉你大脑有多少种细胞类型，但这其中有一个问题：在将细胞从组织中分离出来的过程中，科学家们丢失了一条宝贵的信息——即细胞在大脑组织中是如何组织起来的。

Dulac说:“真正想了解大脑，你还需要一个空间背景（spatial context），因为大脑细胞不像肝脏或其他器官那样以对称的方式组织，大脑的不同寻常之处在于它具有神经元的拓扑结构。因此，我们希望能够观察大脑的一部分，看看那里有哪些细胞、它们在哪里，以及它们周围有哪些类型的细胞。"

现在，这项新研究解决了Dulac所说的这一基本生物学问题和随之而来的技术挑战。

                               
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图片来源：Wikimedia Commons

   

02

   

必杀器——MERFISH

庄小威的实验室近年来开发了一种简称为MERFISH的完美工具。

“我们的细胞中有成千上万的基因被表达出来，从而形成赋予细胞功能的分子机制，”庄小威说，“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方法的工作原理是将生物条码分配给细胞的RNA，将它们与DNA探针文库杂交来表示这些条码，然后通过成像读出这些条码来确定单个RNA分子的身份。通过多轮成像，可以同时读出许多不同的条码。

“这种方法的一个惊人特性是可以成像的基因数量和成像轮数之间的指数比例，”庄小威说，“如果你想看10，000个基因，你可以尝试蛮力方法，一次一个，当然没有人会这样尝试。MERFISH非常强大，因为它允许我们在大约10轮成像中对数千种不同的RNA进行成像和区分。"

此外，庄小威和同事在MERFISH中构建了一种纠错方法，以确保条码能够被正确读取。该小组没有使用所有可能的条码（即一个错误可能会导致一个代码被误读为另一个有效的代码），而是选择了一个条码子集，只有当多个错误同时出现时，该子集才会被误读，从而大大降低了错误识别基因的几率。

“MERFISH的主要应用之一是原位识别细胞类型。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定量和系统的方法。由于我们可以通过MERFISH成像在完整组织中做到这一点，我们也可提供这些细胞类型的空间结构（spatial organization）。"庄小威解释道。

                               
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庄小威

   

03

   

解决基本生物学问题

基于这一技术，庄小威、Dulac及其同事开始着手研究那些长期困扰科学家们的关于大脑如何运作的基本生物学问题。

大脑中一些区域如大脑皮层已经被研究过，尽管在这些区域人们已经注意到细胞以一种特定的方式组织起来，但有很多大脑区域我们并不知道其组织起来的原理。以这项研究中观察的下丘脑为例，它控制着口渴、进食、睡眠和社会行为，以及养育和生殖等社会行为，然而我们并不清楚这一脑区域是如何组织起来的。

为了解开这个谜团，庄小威与同事将MERFISH与单细胞RNA测序（scRNAseq）结合，这不仅允许细胞类型在下丘脑中分类，还提供了这些细胞类型的分子特征，并有助于为MERFISH成像选择基因组。

基于这些分子特征和其他具有重要功能的基因，他们使用MERFISH同时对下丘脑视前区的150多个基因成像，以原位识别细胞类型，并绘制细胞位置的空间图。

“scRNAseq和MERFISH都使我们能够识别大约70种不同的神经元亚型，其中大部分以前是未知的， MERFISH成像使我们能额外看到所有70种神经元类型分布以及非神经元细胞类型的空间分布。”庄小威形象描述道，“你可以看到，有一个精致的空间组织它就在你眼前跳跃着。你不仅可以看到哪些神经元彼此相邻，由于我们的图像是分子的，你还可以识别这些细胞是如何相互交流的。此外， MERFISH成像的超高灵敏度让我们还能够识别对细胞功能至关重要的低表达基因。"

                               
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04

   

揭秘细胞与行为之间的联系

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，解决方案是以一种名为c-Fos的基因的形式出现的。

c-Fos转录被称为立早基因（immediate early gene），在神经活动过程中会增加，因此，如果研究人员能够追踪哪些细胞显示出基因增加，他们就能识别出在特定行为过程中被激活的细胞。举例来说，通过允许动物进行一些类似育儿的行为，当观察到哪些细胞是c-Fos阳性细胞时，研究人员就能知道控制育儿行为的细胞有哪些了。

除了养育后代，作者们还发现了负责其他行为（如攻击和交配）的细胞，虽然他们发现了惊人的共性，但也存在着耐人寻味的差异，这取决于小鼠是父母鼠还是缺乏性经验的处男/女鼠。

人类对自己大脑的认识任重而道远，当彻底破译这个人体黑匣子之时，也是诠释生命秘密之日。展望未来，庄小威及其同事希望进一步探索下丘脑的结构，包括设计更好的方法去理解细胞之间是如何相互连接的。

责编：浮苏