Nature特刊子集：小鼠和人类大脑的差别参考地图

研究人员绘制了230多万个小鼠脑细胞的图谱，揭示了不同类型的脑细胞是如何通过基因调控形成的。这项工作是创建详细脑细胞图谱的更大努力的一部分，对理解大脑功能和治疗神经精神疾病具有重要意义。

　　

翻译脑细胞的语言，有助于他们找出大脑疾病的问题所在

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。研究结果于2023年12月14日发表在《自然》杂志的特刊上。

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BRAIN Initiative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。

理解大脑的分子语言

“细胞的DNA就像它的语言，”加州大学圣地亚哥分校医学院教授Bing Ren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。”

细胞普查网络及其发现

大脑计划下最雄心勃勃的项目之一是细胞图谱网络(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，Ren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。

《Science》继鼠脑图谱后再上台阶，一系列人类大脑的细胞图谱成果

例如，通过将小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Joseph Ecker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。“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。”

与人类疾病的相关性

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，”Ren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。”

1.Co-authors of the first study include: Songpeng Zu, Yang Eric Li, Kangli Wang, Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Bin Li, Samantha Kuan, Zihan Wang, Jingbo Shang, Allen Wang and Sebastian Preissl at UC San Diego, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Michael Nunn, and M. Margarita Behrens at the Salk Institute for Biological Studies, and Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao and Hongkui Zeng at the Allen Institute for Brain Science.

NIH BRAIN Initiative (grants U19MH114831 and U19MH114830)资助

2.Co-authors of the second study include: Nathan R. Zemke, Ethan J Armand, Seoyeon Lee, Jingtian Zhou, Yang Eric Li, Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu and Michael Miller at UC San Diego, Wenliang Wang Hanqing Liu, Wei Tian, Joseph R. Nery, Rosa G Castanon, Anna Bartlett, Julia K. Osteen, Edward M. Callaway, Margarita Behrens and Joseph R. Ecker at the Salk Institute for Biological Studies, Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu and Ting Wang at Washington University School of Medicine, Fenna M. Krienen at Princeton University, Qiangge Zhang and Guoping Feng at The Broad Institute of MIT and Harvard, Naz Taskin, Jonathan Ting and Ed S. Lein at the Allen Institute for Brain Science and Steven A. McCarroll at Harvard Medical School.

NIH BRAIN Initiative (grants U19MH11483, U19MH114831-04s1, 5U01MH121282, and UM1HG011585)资助