編者按

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直將大腦視為人體黑匣子，并熱衷于解析其中的秘密。近日，上月剛獲科學(xué)突破獎(jiǎng)的華人學(xué)者莊小威及其同事開(kāi)啟了這一神秘區(qū)域：他們創(chuàng)建了一個(gè)小鼠關(guān)鍵腦區(qū)域的細(xì)胞圖譜，利用尖端成像技術(shù)檢查了大腦一塊2mm×2mm×0.6mm區(qū)域中的100多萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，不僅識(shí)別了70多種不同類型的神經(jīng)元，而且還精確定位了細(xì)胞的位置及其多種功能。

DOI：10.1126/science.aau5324

這項(xiàng)研究以“Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region”為題發(fā)表在《Science》雜志上，作者之一、哈佛大學(xué)的Catherine Dulac認(rèn)為，“這項(xiàng)研究讓我們對(duì)大腦的細(xì)胞、分子和功能組織有了突破性的詳細(xì)了解，我們以前所未有的方法理解了一些行為，所用技術(shù)可以在大腦的任何地方用于任何功能的解析。”

01.一個(gè)難題

前人已經(jīng)意識(shí)到，在腦研究過(guò)程中，需要了解它的細(xì)胞組成部分，所以，如果拿一塊組織來(lái)看細(xì)胞表達(dá)的基因，它會(huì)告訴你大腦有多少種細(xì)胞類型，但這其中有一個(gè)問(wèn)題：在將細(xì)胞從組織中分離出來(lái)的過(guò)程中，科學(xué)家們丟失了一條寶貴的信息——即細(xì)胞在大腦組織中是如何組織起來(lái)的。

Dulac說(shuō):“真正想了解大腦，你還需要一個(gè)空間背景（spatial context），因?yàn)榇竽X細(xì)胞不像肝臟或其他器官那樣以對(duì)稱的方式組織，大腦的不同尋常之處在于它具有神經(jīng)元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，我們希望能夠觀察大腦的一部分，看看那里有哪些細(xì)胞、它們?cè)谀睦?，以及它們周圍有哪些類型的?xì)胞。"

現(xiàn)在，這項(xiàng)新研究解決了Dulac所說(shuō)的這一基本生物學(xué)問(wèn)題和隨之而來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖片來(lái)源：Wikimedia Commons

02.必殺器——MERFISH

莊小威的實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)稱為MERFISH的完美工具。

“我們的細(xì)胞中有成千上萬(wàn)的基因被表達(dá)出來(lái)，從而形成賦予細(xì)胞功能的分子機(jī)制，”莊小威說(shuō)，“我希望能夠同時(shí)對(duì)所有這些基因進(jìn)行成像，這就是我們開(kāi)發(fā)MERFISH的原因。"

MERFISH方法的工作原理是將生物條碼分配給細(xì)胞的RNA，將它們與DNA探針文庫(kù)雜交來(lái)表示這些條碼，然后通過(guò)成像讀出這些條碼來(lái)確定單個(gè)RNA分子的身份。通過(guò)多輪成像，可以同時(shí)讀出許多不同的條碼。

“這種方法的一個(gè)驚人特性是可以成像的基因數(shù)量和成像輪數(shù)之間的指數(shù)比例，”莊小威說(shuō)，“如果你想看10，000個(gè)基因，你可以嘗試蠻力方法，一次一個(gè)，當(dāng)然沒(méi)有人會(huì)這樣嘗試。MERFISH非常強(qiáng)大，因?yàn)樗试S我們?cè)诖蠹s10輪成像中對(duì)數(shù)千種不同的RNA進(jìn)行成像和區(qū)分。"

此外，莊小威和同事在MERFISH中構(gòu)建了一種糾錯(cuò)方法，以確保條碼能夠被正確讀取。該小組沒(méi)有使用所有可能的條碼（即一個(gè)錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)代碼被誤讀為另一個(gè)有效的代碼），而是選擇了一個(gè)條碼子集，只有當(dāng)多個(gè)錯(cuò)誤同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，該子集才會(huì)被誤讀，從而大大降低了錯(cuò)誤識(shí)別基因的幾率。

“MERFISH的主要應(yīng)用之一是原位識(shí)別細(xì)胞類型。不同的細(xì)胞類型有不同的基因表達(dá)譜。因此，這些基因表達(dá)譜為細(xì)胞類型鑒定提供了定量和系統(tǒng)的方法。由于我們可以通過(guò)MERFISH成像在完整組織中做到這一點(diǎn)，我們也可提供這些細(xì)胞類型的空間結(jié)構(gòu)（spatial organization）。"莊小威解釋道。

莊小威

03.解決基本生物學(xué)問(wèn)題

基于這一技術(shù)，莊小威、Dulac及其同事開(kāi)始著手研究那些長(zhǎng)期困擾科學(xué)家們的關(guān)于大腦如何運(yùn)作的基本生物學(xué)問(wèn)題。

大腦中一些區(qū)域如大腦皮層已經(jīng)被研究過(guò)，盡管在這些區(qū)域人們已經(jīng)注意到細(xì)胞以一種特定的方式組織起來(lái)，但有很多大腦區(qū)域我們并不知道其組織起來(lái)的原理。以這項(xiàng)研究中觀察的下丘腦為例，它控制著口渴、進(jìn)食、睡眠和社會(huì)行為，以及養(yǎng)育和生殖等社會(huì)行為，然而我們并不清楚這一腦區(qū)域是如何組織起來(lái)的。

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，莊小威與同事將MERFISH與單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNAseq）結(jié)合，這不僅允許細(xì)胞類型在下丘腦中分類，還提供了這些細(xì)胞類型的分子特征，并有助于為MERFISH成像選擇基因組。

基于這些分子特征和其他具有重要功能的基因，他們使用MERFISH同時(shí)對(duì)下丘腦視前區(qū)的150多個(gè)基因成像，以原位識(shí)別細(xì)胞類型，并繪制細(xì)胞位置的空間圖。

“scRNAseq和MERFISH都使我們能夠識(shí)別大約70種不同的神經(jīng)元亞型，其中大部分以前是未知的， MERFISH成像使我們能額外看到所有70種神經(jīng)元類型分布以及非神經(jīng)元細(xì)胞類型的空間分布。”莊小威形象描述道，“你可以看到，有一個(gè)精致的空間組織它就在你眼前跳躍著。你不僅可以看到哪些神經(jīng)元彼此相鄰，由于我們的圖像是分子的，你還可以識(shí)別這些細(xì)胞是如何相互交流的。此外， MERFISH成像的超高靈敏度讓我們還能夠識(shí)別對(duì)細(xì)胞功能至關(guān)重要的低表達(dá)基因。"

04.揭秘細(xì)胞與行為之間的聯(lián)系

有了這些信息，研究小組開(kāi)始將特定的細(xì)胞與特定的行為聯(lián)系起來(lái)，解決方案是以一種名為c-Fos的基因的形式出現(xiàn)的。

c-Fos轉(zhuǎn)錄被稱為立早基因（immediate early gene），在神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程中會(huì)增加，因此，如果研究人員能夠追蹤哪些細(xì)胞顯示出基因增加，他們就能識(shí)別出在特定行為過(guò)程中被激活的細(xì)胞。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)允許動(dòng)物進(jìn)行一些類似育兒的行為，當(dāng)觀察到哪些細(xì)胞是c-Fos陽(yáng)性細(xì)胞時(shí)，研究人員就能知道控制育兒行為的細(xì)胞有哪些了。

除了養(yǎng)育后代，作者們還發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)其他行為（如攻擊和交配）的細(xì)胞，雖然他們發(fā)現(xiàn)了驚人的共性，但也存在著耐人尋味的差異，這取決于小鼠是父母鼠還是缺乏性經(jīng)驗(yàn)的處男/女鼠。

人類對(duì)自己大腦的認(rèn)識(shí)任重而道遠(yuǎn)，當(dāng)徹底破譯這個(gè)人體黑匣子之時(shí)，也是詮釋生命秘密之日。展望未來(lái)，莊小威及其同事希望進(jìn)一步探索下丘腦的結(jié)構(gòu)，包括設(shè)計(jì)更好的方法去理解細(xì)胞之間是如何相互連接的。

原標(biāo)題：Science重磅！莊小威開(kāi)啟大腦“黑匣子”，解析細(xì)胞與行為之間的聯(lián)系

參考資料：

1）Making a map of the brain—First-of-its-kind cellular atlas identifies neuron types, location and even function

2）Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region