艾倫研究所(Allen Institute)的科學家正致力於建立一個大腦細胞類型的“週期表”。
在這項研究中，研究人員仔細分析了老鼠大腦中的數百個細胞，並根據它們的形狀和電活動對它們進行了分類。為了瞭解我們的大腦，科學家需要知道它們的組成部分。這一主題是神經科學日益努力的基礎，目的是定義大腦的不同組成部分——大腦細胞。
用老鼠的8000萬個神經元和我們的860億個神經元，對這些微妙的、微小的構件進行分類是一項不小的壯舉。艾倫腦科學研究所(Allen Institute for Brain Science)今天在《自然神經科學》(Nature Neuroscience)雜誌上發表的一項新研究，根據老鼠神經元的兩個重要特徵——它們的三維形狀和它們的電行為，描述了老鼠神經元類型的大量概況。艾倫研究所(Allen Institute)通過對腦細胞類型的大規模探索，發現了大腦的“元素週期表”。
研究人員希望對健康哺乳動物大腦中的細胞類型有更好的瞭解，這將為揭示人類大腦紊亂和疾病的細胞類型奠定基礎。
如果你想到經典元素週期表，化學元素可以用很多方式來描述和排序:它們的質量，它們的化學性質，不管它們是不是金屬。神經科學家也面臨著類似的挑戰。一個特定的神經元會有許多不同的個性特徵來區別於其他類型的神經元:它的形狀，它的行為，它所開啟的一組獨特的基因，它在大腦中的位置，它與其他類型的細胞相互作用。
如何定義單元格類型?
艾倫研究所下屬艾倫腦科學研究所(Allen Institute for Brain Science)結構科學執行主任、該研究的資深作者曾紅奎(Hongkui Zeng)博士說，要理解單細胞類型的作用，研究人員需要探究所有細胞的這些屬性。
他曾說:“細胞類型是一組細胞，它們彼此具有相似的功能特性，但我們不知道所有這些特性是什麼。”“我們不應該只關注單一的功能;我們需要儘可能多地研究這些細胞的特徵，看看它們之間是否一致。”
在這項研究中,研究小組通過神經元分類視覺處理的小鼠大腦的一部分找到幾十個不同的大腦細胞類型,仔細分析接近2000個神經元的電活動和詳細的三維形狀(也稱為形態)近500相同的細胞。研究人員還發現，這些新的細胞類型類別與去年發表的一項補充研究的類別一致。
在早期的研究中，艾倫研究所的研究人員使用基因表達，或任何一個細胞中被激活的基因列表，將將近2.4萬個腦細胞分成不同的類型。
不同的功能產生相似的細胞類型組給研究人員的信心,他們在正確的軌道上分類,指出:索倫森,博士,神經形態學的團隊在艾倫腦科學研究所,是作者在研究和Nathan Gouwens博士和吉姆·伯格博士。索倫森說:“如果我們對一個細胞的多種特性進行比對，我們就會更有信心，認為我們擁有一種具有生物學意義的細胞類型。”
為什麼細胞的形狀和活動很重要
它們的活動和形狀也為研究人員提供了線索，讓他們瞭解單個細胞在大腦神經迴路的大背景下在做什麼。電信號使用脈衝，即所謂的尖峰或動作電位，是神經元與每一個神經元之間交流的普遍方式。不同的神經元被調優，以發送和接收這種尖峰的不同模式。
理解這些信號有助於研究人員重建這些神經元如何在電路中與其他神經元連接。它們的形狀也提供了線索。
艾倫研究所(Allen Institute)的計算神經學家古文斯(Gouwens)說，“一個細胞的形狀代表著它如何與其他細胞連接。”“我們關心細胞之間是如何連接的，因為這是它們形成處理信息的迴路的方式。”
社區數據
研究人員希望這些公開的數據，連同有關腦細胞類型基因表達的數據——所有這些都是艾倫細胞類型數據庫的一部分——將有助於對健康和疾病中的特定細胞類型進行更深入的研究。如果一個研究小組有興趣在一個特定的疾病相關基因在大腦中,例如,他們可以看到細胞基因已被打開,或表達,然後探索這些神經元的形狀和活動形成新的假設關於疾病的基因可能行為,可能會出錯,如果基因突變或失蹤。
“他們可以對基因功能障礙如何改變細胞類型，如何導致特定的影響形成一種假設，”艾倫腦科學研究所(Allen Institute for Brain Science)的神經學家伯格說。“需要很多數據才能讓人們相信這些數據，但我認為我們終於到了這個階段。”
運用一個無偏見的試驗方法
為了研究神經元的形態，研究人員需要首先在老鼠大腦中其他神經元和支持細胞的混亂中識別出一個細胞，然後用一種特殊的含染料探針注入這個細胞，在大腦的一片區域內對其進行染色。研究小組使用了艾倫研究所(Allen Institute)設計的老鼠，這些老鼠攜帶的基因可以讓某些神經元在顯微鏡下發出明亮的顏色，讓研究人員更容易地挑選出單個神經元。然後，研究人員使用同樣的顯微鏡探針，通過研究細胞對不同類型的電輸入的反應，來讀出細胞的電活動。
由於這些實驗都是勞動密集型的，研究小組通常一次研究一種或幾種細胞類型，這些細胞類型通常是根據特定的問題來選擇的。然而，艾倫研究所的研究小組想要以一種廣泛、公正的方式來解決這個問題，即在相同的實驗條件下，從大腦的同一區域研究細胞，以便更容易地進行比較。
古文斯說:“我們不再把細胞類型列在腦子裡，然後把它們分類，而是讓這些分類從數據中浮現出來。”“我們正試圖做到相當寬泛，然後看看數據的形狀。”#清風計劃#
更多信息： 小鼠視皮層中電生理和形態神經元類型的分類，Nature Neuroscience（2019）。DOI：10.1038 / s41593-019-0417-0，https ：//www.nature.com/articles/s41593-019-0417-0
期刊信息： 自然神經科學
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