细胞谱系:单细胞技术鉴定出具有不同形状和放电模式的中间神经元亚型。图片来自艾伦脑科学研究所
今天出版的《科学》、包括近期《科学进展》和《科学转化医学》上的21篇论文中，介绍了数千种细胞类型，这些细胞分布在人类大脑和我们最亲近的灵长类动物的大脑中。“这是一项巨大的事业，”哈佛大学分子和细胞生物学教授Joshua Sanes说，“这确实是转化神经科学、系统神经科学以及分子神经科学未来10年、20年的发展基础。”
这项新工作使用单细胞分子方法识别了发育中和成人大脑中3000多种不同的神经元和非神经元细胞类型。个别研究还比较了来自75个人和8个皮层区域的样本的细胞组成，以及人类和4种非人类灵长类动物的样本。
美国国立卫生研究院大脑计划的副主任Andrea Beckel-Mitchener说，这一努力代表了向人类大脑单细胞图谱迈出的一步，并开始提供“在细胞水平上是什么使我们成为独特的人类”的信息。
由此产生的数据集可以在网上获得，是250多名研究人员五年研究的成果，他们组成了“大脑初步细胞普查网络”(BICCN)，该项目于2017年启动，旨在对哺乳动物脑细胞类型进行分类。2021年，BICCN团队公布了人类、猕猴和狨猴大脑运动皮层的详细图谱。今年早些时候，BICCN的科学家发布了预印本，建立了迄今为止最完整的小鼠大脑细胞图谱。
华盛顿西雅图艾伦脑科学研究所的高级研究员Ed Lein说，这些数据集为研究人员提供了人类、非人类灵长类动物和其他哺乳动物的典型细胞组成的基准，他也是多篇论文之一的研究人员。在未来，它们可以帮助科学家为特定的研究选择最好的模式生物——甚至识别与疾病有关的细胞。
BICCN根据多种特征识别出不同的细胞类型，包括它们的个体基因表达模式(转录组)和DNA上的标签模式(表观基因组)，结合其他措施，如细胞形态学和生理学。
长期以来，一些科学家一直质疑单细胞转录组学能否像形态学或生理学那样有用地区分细胞，这项新研究表明，通过分子成分来识别细胞，为整个大脑的细胞分类提供了一种互补的方法。
即使是参与BICCN的研究人员最初也不确定他们最初用于动物的单细胞技术是否适用于人类，特别是在大规模的情况下。Lein说，从处理人体组织样本的困难到无法预料的物种差异，任何事情都可能阻碍这项工作。但是新的研究证实，单细胞方法可以揭示关于人类细胞组成的新见解，新的研究表明，这种多样性在中脑和后脑中是最高的——这些区域的研究不如大脑广泛。
这项新研究表明，在整个大脑中，细胞组成与功能有关。Lein和他的同事在其中一项新研究中取样发现，相同的24种主要细胞类型在大脑皮层的所有8个区域一致出现，但这些细胞的比例因区域而异。一个因其不同寻常的组成而引人注目的大脑区域是初级视觉皮层，这项新研究表明，初级视觉皮层有不同的兴奋性和抑制性细胞亚型。Lein说，这可能反映了一个事实，即灵长类动物的大脑对视觉输入是“非常专门的”。
根据另一项研究，不同的人也倾向于共享所有相同的脑细胞类型，但这些细胞——特别是兴奋性神经元和神经胶质细胞——表达基因的方式不同，该研究检查了75名接受手术治疗各种脑部疾病的患者的活组织样本。艾伦脑科学研究所助理研究员Trygve Bakken说，这种差异大多不能用年龄或性别等人口统计学因素来解释，而是可能源于生活经历等因素。
另一项新的研究表明，患有早期脑部炎症的儿童在小脑内两种类型的抑制神经元的基因表达发生了变化。许多受影响的基因都与自闭症有关，这表明某些形式的自闭症可能存在趋同的地方。
一些新论文还记录了非人类灵长类动物的细胞类型组成，包括猕猴和狨猴。这些研究，加上BICCN的小鼠图谱，提供了一种方法来评估在进化过程中哪些细胞类型是共享的，哪些是特定于人类的——这些发现可以帮助研究人员为给定的研究选择最佳的模式生物。
“这真的开启了一个问题的大门，‘我们能否将模式生物的发现转化为人类?’”Lein说，其他研究记录了脑细胞在发育的早期阶段是如何变化的，可以帮助指导那些试图用类器官模拟人类发育的研究人员。
这个项目的规模“在神经科学领域是前所未有的”。唯一能与之相比的生物项目是人类基因计划。下一步，该网络的目标是填充原型地图集的轮廓。去年，它进入了下一个阶段，被称为BRAIN初步细胞图谱网络。Beckel-Mitchener说:“我们正在增加数百名捐赠者，他们来自更广泛的年龄和血统。”
Lein说，最终的目标是，这些地图集将提供“对正常大脑实际样子的良好理解”。当用作参考时，地图集可以作为了解哪些细胞在疾病中受到影响以及何时受到影响的基础。加州大学旧金山分校的解剖学、精神病学和神经外科副教授Tomasz Nowakowski说，这将使研究人员在决定针对特定情况研究哪个大脑区域时，能够提出“更有针对性和更多数据驱动的问题”，他领导了今天发表的一项研究。“还有很多工作要做，”Seth Ament说，他是巴尔的摩马里兰大学医学院的精神病学副教授，致力于小脑炎症的研究。“但这是任何重要项目的标志，不是吗?”
