發(fā)布日期：2016-08-26

編者按：今年7月底，《自然》雜志發(fā)布了有史以來最詳細(xì)的人腦地圖，但這只是對大腦進(jìn)行“分區(qū)”，距離“細(xì)胞層面”的精度還相去甚遠(yuǎn)。 人類大腦的更多秘密，可能還藏在那大約850億個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞以及它們之間約15萬億個(gè)連接之中。8月16日的《Neuron》雜志上發(fā)布了一項(xiàng)名為MAP-seq的新技術(shù)，該技術(shù)可利用RNA“條形碼”高速低價(jià)地記錄腦細(xì)胞間的連接。 在這項(xiàng)技術(shù)的幫助下，科學(xué)家們將有可能解開人腦神經(jīng)元的連接方式之謎。這不僅可以讓我們進(jìn)一步深入了解人體本身，同時(shí)在對現(xiàn)在熱門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架具有極大的指導(dǎo)作用，或許可以讓深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升。 人類的大腦是這個(gè)宇宙中最未知的領(lǐng)域之一。正如探索每一塊神秘的土地一樣，一幅品質(zhì)優(yōu)良的地圖往往至關(guān)重要。 就此，大腦的探索者——神經(jīng)科學(xué)家們已經(jīng)邁出了一大步。他們的最終目標(biāo)是用極少的基因材料來標(biāo)注大腦中的每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，然后繪制這些神經(jīng)細(xì)胞如何互相連接的地圖。這項(xiàng)技術(shù)被稱作MAP-seq，將幫助研究者以從未有過的細(xì)致程度研究自閉癥和精神分裂癥等疾病。

安東尼·扎得（Anthony Zador）是冷泉港實(shí)驗(yàn)室（Cold Spring Harbor Laboratory）的一名神經(jīng)科學(xué)家，同時(shí)也是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者。他說道：“我們已經(jīng)掌握了這一全新科技的理論基礎(chǔ)，它會(huì)有許多不同的應(yīng)用。” “我認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展空間很大，”，冷泉港實(shí)驗(yàn)室未參與此研究的一名分子生物學(xué)家李奇赫（Je Hyuk Lee）說道。 然而，安東尼的技術(shù)并不是前無古人，繪制大腦神經(jīng)連接圖譜（brain’s connectome）的努力由來以久。目前，科學(xué)家們一般依賴熒光蛋白和顯微鏡對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行顯像，但這種技術(shù)非常費(fèi)事且很難同時(shí)追蹤多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的連接情況。

安東尼·扎得，一名開發(fā)出了新的大腦圖譜繪制方法的神經(jīng)科學(xué)家。 作為可能帶來業(yè)界革新的新技術(shù)，MAP-seq的第一步是創(chuàng)建一個(gè)以病毒為載體的隨機(jī)RNA序列庫。 然后，這些RNA序列混合物被注入大腦，其數(shù)量大約以注射部位的每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞能分得一個(gè)RNA序列為準(zhǔn)。 這樣，每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞就有屬于它自己獨(dú)特的RNA“條形碼”了。

接著，神經(jīng)細(xì)胞被標(biāo)碼的大腦將被進(jìn)一步切片、切丁，按序排好，等待處理。 DNA測序機(jī)讀取這些RNA條形碼后，研究人員就能建立顯示單個(gè)神經(jīng)元如何同大腦其他部分相連的矩陣了。 這項(xiàng)研究發(fā)表在了上周四的《Neuron》雜志上。它描繪了一幅位于大腦藍(lán)斑核（locuscoeruleus）部位的蔓延開去的神經(jīng)連接圖，包括1000個(gè)老鼠的神經(jīng)細(xì)胞。這幅圖證明了扎得的MAP-seq技術(shù)的可行性。對此，扎得表示，先前這些神經(jīng)細(xì)胞的連接方式一直存在爭議，而他們的結(jié)果實(shí)際上還化解了那部分相互矛盾的研究發(fā)現(xiàn)。 加斯圖斯·凱布舒爾（Justus Kebschull）同扎得一起研發(fā)了MAP-seq，他說，這項(xiàng)技術(shù)正在變得更好。“我們現(xiàn)在可以同時(shí)繪制10萬個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的連接圖，一個(gè)星期、一個(gè)試驗(yàn)就能完成。這在從前是完全不可思議的，除非你投入極大的工作量。”

事實(shí)上，每個(gè)普通人身上大概有上百個(gè)基因突變會(huì)在大腦發(fā)育的過程中引起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接方式的細(xì)微改變。為了弄清楚這些細(xì)微改變是否造成了大腦連接的功能性障礙，并進(jìn)而了自閉癥和精神分裂癥等疾病，科學(xué)家們以老鼠為模型進(jìn)行了試驗(yàn)。 “我們正在老鼠模型中探索基因突變會(huì)把哪些地方的連接弄糟。既然現(xiàn)在這個(gè)技術(shù)如此高效，我們就能同時(shí)研究多個(gè)基因突變的影響了，”凱布舒爾說道。而攜帶不同的候選自閉癥基因的老鼠，腦回路也可能不同，通過比較這些腦回路，研究人員希望能對大腦連接和神經(jīng)疾病的關(guān)系有新的認(rèn)識。 盡管其他團(tuán)隊(duì)也用過類似的編碼技術(shù)研究細(xì)胞間的個(gè)體差異，扎得表示，目前他的實(shí)驗(yàn)室是唯一在給大腦標(biāo)記條形碼的研究團(tuán)隊(duì)，但他希望其他人也能開始使用MAP-seq記錄各種腦回路。他說：“因?yàn)闇y序成本持續(xù)降低，很快我們就能高速低價(jià)地進(jìn)行這項(xiàng)研究了。” 也許很快，第一張大腦的完整地圖就能夠?yàn)槠涫孜惶剿髡咚褂昧恕? 無疑，腦神經(jīng)元間的連接方式的秘密一旦解開，除了有助于在某些神經(jīng)疾病的治療上取得突破外，還會(huì)對廣泛應(yīng)用于人工智能的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架提供巨大的指導(dǎo)作用，從而大力推動(dòng)人工智能的發(fā)展。

來源：DeepTech深科技