两位著名女科学家《Science》发布重大成果：打开大脑这个“黑匣子”

几十年来，科学家们一直都认为大脑是一个名副其实的“黑盒子”，但现在庄小威和 Catherine Dulac已经做好了准备，打开它。

这两位女科学家都在各自的领域取得了卓越的成就——庄小威是著名的华裔女科学家，早年毕业于中国科技大学少年班，34岁时成为了哈佛大学的化学和物理双学科正教授，是哈佛物理系和化学系少有的双科教授。2012年庄教授当选为美国国家科学院院士，刷新了美国科学院最年轻华人院士的纪录。而Dulac也是一位杰出的脑科学领域科学家，她在哺乳动物嗅觉信号分子机制方面获得了许多重要的突破。

这两位学者强强联手，创造了第一个大脑重要区域的细胞图谱。

相关成果公布在11月2日的Science杂志上，她们利用先进的成像技术，在2mm×2mm×0.6mm的脑块中检测了超过100万个细胞，不仅识别了70多种不同类型的神经元，而且还精确定位细胞所在的位置及其各种功能。

“这让我们能够详细了解大脑的细胞，分子和功能组织——之前还没有人将这三者结合起来，”Dulac说，“这项工作本身就是一项突破，因为我们现在以前所未有的方式解析了一些行为，但其真正的意义在于，这种技术可以被用于研究大脑任何区域的任何功能。”

研究的出发点

这项研究的出发点是为了回答Dulac提出的基本生物问题，并解决随之而来的技术挑战。

“这个问题是很久以前我们就意识到的——为了研究大脑，你需要了解它的成分，而这些成分就是细胞，”Dulac说，“因此，如果你采集了一块组织，观察细胞表达的基因，它会告诉你有多少细胞类型......但这仍然会给你留下一个大问题。”

因为这需要研究人员将细胞与组织分离，并且在这个过程中，会丢失一些宝贵的信息，比如细胞如何在组织中组织起来的。

“如果你真的想要了解大脑，那么就需要空间背景，因为大脑不像肝脏或其他器官，细胞以对称的方式组织。大脑是不同的，它具有神经元的这种拓扑排列方式...所以我们希望能够看到大脑的一部分，看看那里有哪些细胞，看到它们在哪里以及周围有哪些类型的细胞。”

幸运的是，近年来庄小威实验室开发了完美的工具（Multiplexed Error-Robust Fluorescence In-Situ Hybridization，简称MERFISH）。这一技术可以在单细胞水平上实现空间分辨的高度多重化RNA分析，打破了目前的技术限制。

MERFISH——重磅技术

随着STORM（一种超分辨率成像技术）的发展，研究人员可以对具有纳米级分辨率的单个分子进行成像，庄小威研究组不仅对单个分子类型进行成像，而且可以对细胞内的所有活动分子进行成像。

“我们的细胞中不是仅仅只有一两种不同的分子，我们有成千上万的基因被表达，这一才能完成细胞功能，”庄小威说。“我希望能够同时对所有这些基因进行成像，这就是我们开发MERFISH的原因。”

MERFISH方法的工作原理是将“条形码”分配给细胞的RNA，让它们与DNA探针库杂交，赋予这些条形码意义，然后通过成像读出这些条形码，确定单个RNA分子的特性。这样通过多轮成像，就能同时读出许多不同的条形码。

“这种方法的一个重要特性是可以让成像的基因数量和成像轮次数呈指数增长。如果你想分析10,000个基因，你可以尝试徒手方法，一次做一个，但当然没有人会尝试过。MERFISH方法非常强大，因为它可以让我们成像并区分大约10轮成像中成千上万不同的RNAs。”

庄小威及其同事在MERFISH中建立了一种纠错方法，确保正确读取条形码。这里有个特异性问题，因为如果出现单个错误可能导致一个代码被误读为另一个有效代码，为此研究人员采用了条形码子集，只有在多个错误同时发生时才会被误读，从而大大降低了错误识别的可能性。

“我们发明MERFISH的主要应用之一是原位鉴定细胞类型，因为不同的细胞类型具有不同的基因表达谱。因此，这些基因表达谱为细胞类型鉴定提供了定量和系统的方法，”庄小威说，“因为我们可以通过MERFISH成像在完整的组织中做到这一点，我们也可以提供这些细胞类型的空间组织。”

有了MERFISH，她们开始着手解决那些长期困扰科学家的基本生物学问题。

大脑的奥秘

“大脑中有一些区域已经被研究过了，比如皮质，从中科学家们发现细胞是以特定的方式组织的，但是对于很多大脑其它区域，我们还不知道组织原则，”Dulac说，“我们在这项研究中关注的区域，就是下丘脑，这是一个重要的大脑区域，可以控制口渴，喂养，睡眠和社交行为，如育儿和生育，但我们不知道这种结构是怎样组织的。”

为了解开这个谜团，研究人员将MERFISH与单细胞RNA测序（scRNAseq）结合在一起，从而能对细胞的基因表达谱进行无偏序量化。“这不仅能在下丘脑中分类细胞类型，而且还提供了这些细胞类型的分子特征，并方便MERFISH成像基因组的选择，”庄小威说。

基于这些分子特征和其他具有重要功能的基因，他们使用MERFISH同时对整个下丘脑视前区域的150多个基因进行成像，原位识别细胞类型，创建细胞所在位置的空间图。

“scRNAseq和MERFISH能让我们识别出大约70种不同的神经元亚型，其中大部分是以前未知的”庄小威说，“MERFISH成像使我们另外能够看到所有70种神经元类型的空间分布，以及非神经类型的空间分布。”

“你可以看到，有一个精密的空间组织，向我们跳跃，还可以看到哪些神经元彼此相邻......不仅如此，因为我们的图像是分子的，所以可以确定这些细胞是如何相互通信的。此外，由于MERFISH成像具有非常高的灵敏度，可以识别对细胞功能至关重要的低表达基因。”

有了这些信息，研究团队着手将特定细胞与特定行为联系起来，分析一种名为c-Fos的基因。

c-Fos被称为“immediate early”基因，在神经活动期间增加，因此如果研究人员能够追踪哪些细胞出现了这种基因的增加，他们就可以识别在特定行为期间被激活的细胞。

“这样，我们可以用前所未有的方式来定义哪些细胞参与特定行为，”Dulac说，“这非常精确，极其定量，我们可以看到那些细胞在哪里......所以它是细胞图，分子图和功能图，三者结合在一起。”

除了育儿行为之外，研究人员还发现细胞负责的其他行为，比如攻击和交配，还有一些有趣的发现：小鼠是父母，还是首次交配，会带来细胞的差异。

未来，Dulac和庄小威希望进一步探索下丘脑的结构，比如更好的了解细胞如何相互连接的方法。

而且和研究结果一样重要的是，这项工作也成为合作研究的一个典范。

“这才是我们所希望的最佳合作，”庄小威说，“我们两个实验室的专业知识相得益彰，我们彼此都学到了很多东西。”

原文标题：

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