人體神經(jīng)系統(tǒng)就像一個(gè)復(fù)雜的電路板。當(dāng)電線交叉或電路發(fā)生故障時(shí)，可能會出現(xiàn)精神分裂癥或雙相情感障礙等疾病。

很長一段時(shí)間以來，科學(xué)家們一直在努力放大并確定大腦回路是如何形成的，這樣他們就可以學(xué)會重新連接麻煩的神經(jīng)元。

現(xiàn)在，由生物學(xué)教授Liqun Luo和生物工程與應(yīng)用物理學(xué)教授Stephen Quake領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)的研究人員通過制定果蠅嗅覺神經(jīng)元的詳細(xì)細(xì)胞基因藍(lán)圖，向這一方向邁出了重要一步。他們的工作已發(fā)表在Cell上。

該研究背后的基本思想是了解相對簡單的飛行腦的神經(jīng)元細(xì)胞類型，并識別指導(dǎo)飛行腦中不同類型神經(jīng)元的精確連線的分子。隨著時(shí)間的推移，研究人員希望使用類似的方法來研究更復(fù)雜的人類大腦細(xì)胞組成，甚至有一天甚至可以修復(fù)腦部疾病的錯誤接線。

單細(xì)胞RNA測序

回到高中生物學(xué)，記住細(xì)胞有DNA和RNA。DNA是代表整個(gè)生物體藍(lán)圖的遺傳密碼。果蠅是一種人類的模式生物，因?yàn)樗嘉覀円阎膊』虻募s75%，擁有大約15,000個(gè)基因。當(dāng)然，并非所有基因都是一直表達(dá)的。每個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞表達(dá)特定的基因子集，而這些基因又產(chǎn)生一組特定的蛋白質(zhì)。信使RNA分子攜帶遺傳密碼來創(chuàng)建或表達(dá)任何特定細(xì)胞在任何時(shí)間點(diǎn)可能需要的任何蛋白質(zhì)。

斯坦福大學(xué)的研究人員專注于蠅腦的嗅覺，氣味和感知象限中的細(xì)胞。果蠅是生物學(xué)中研究最多的生物之一。先前的實(shí)驗(yàn)研究證明，蒼蠅的嗅覺系統(tǒng)是一個(gè)干凈簡單的電路，使其成為開發(fā)新的遺傳技術(shù)以探測大腦電路如何接線的理想試驗(yàn)臺。蒼蠅大腦的氣味中心有50種中央處理神經(jīng)元，它們生長線狀細(xì)絲以連接50種感覺神經(jīng)元。每對連接的神經(jīng)元都可以讓果蠅聞到一組氣味，而果蠅可以在廚房里檢測出無數(shù)的水果氣味。

為了查看在這些細(xì)胞中表達(dá)的整個(gè)基因庫，斯坦福團(tuán)隊(duì)使用了Quake開創(chuàng)的方法，使研究人員能夠?qū)?xì)胞中的所有信使RNA進(jìn)行測序。Quake及其合作者開發(fā)的單細(xì)胞測序技術(shù)已被廣泛使用，并且是開發(fā)人類和小鼠細(xì)胞類型綜合圖譜的國際努力的基礎(chǔ)。但博士后學(xué)者李紅杰和博士生菲利克斯霍恩斯調(diào)整了這個(gè)過程，使其適用于果蠅，果蠅每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞數(shù)量少，信使RNA量少。

通過將Quake的單細(xì)胞RNA測序與Luo對果蠅嗅覺回路的詳細(xì)了解相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建第一個(gè)藍(lán)圖，顯示特定基因/蛋白質(zhì)活性如何與生物體神經(jīng)系統(tǒng)的至少一個(gè)組成部分的生物接線相關(guān)聯(lián)。 。

定義單元格類型

最終，研究人員希望為人類神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)藍(lán)圖，但他們的第一步必須是識別人類大腦的組成細(xì)胞。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡m然細(xì)胞可以通過功能，生理學(xué)，解剖學(xué)和基因表達(dá)來定義，但研究人員很難統(tǒng)一這些特性。兩個(gè)細(xì)胞可具有相同的功能但不同的生理學(xué)。“人們一直希望單細(xì)胞RNA測序有助于解決這個(gè)問題，但到目前為止還不容易，”羅說。

首先研究果蠅有所幫助，因?yàn)樵谶^去的二十年里，羅和他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)很好地了解了有機(jī)體嗅覺系統(tǒng)的功能，生理和解剖學(xué)。雖然研究人員仍在爭論人腦中是否有1000或10,000種細(xì)胞類型，但羅說我們已經(jīng)知道果蠅嗅覺系統(tǒng)中細(xì)胞類型的數(shù)量。這使得這個(gè)簡單的生物體成為將基因表達(dá)與細(xì)胞類型難題中的其他部分聯(lián)系起來并開發(fā)最終研究人類大腦的過程的理想試驗(yàn)臺。

新的見解

雖然研究人員距離這個(gè)目標(biāo)還有很長的路要走，但他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)對蒼蠅的思想產(chǎn)生了一些有趣的見解。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育過程中，當(dāng)嗅覺神經(jīng)元選擇連接伙伴時(shí)，不同神經(jīng)元類型之間的基因表達(dá)是不同的。但隨著果蠅成熟，來自不同神經(jīng)元類型的基因表達(dá)模式變得難以區(qū)分。“一旦大腦接通，蒼蠅就不需要表達(dá)那些幫助他們選擇連接伙伴的基因，”霍恩斯說。“因此，成年果蠅的基因表達(dá)多樣性較少。”

最終目標(biāo)是開發(fā)新的強(qiáng)大工具，用于理解連接人腦的遺傳藍(lán)圖。“通過進(jìn)一步發(fā)展這種方法，我們希望有朝一日能夠進(jìn)行逆向工程，甚至可能修復(fù)人腦中的缺陷電路，”李說，他在斯坦福神經(jīng)科學(xué)研究所支持該項(xiàng)目的跨學(xué)科工作。