超详细的新型“大脑地图”，或将翻开神经科学新篇章

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简 介

一种基于DNA条形码的新技术获得了神经学家的重视，它能够轻易绘制出各个脑细胞之间的复杂联系，并且让所绘制的脑细胞数量达到了前所未有的数量级。这还只是它的无限潜力的初步显现。

在冷泉港实验室（The Cold Spring Harbor Laboratory）校园办公室的办公桌前，神经科学家Tony Zador把他的电脑显示器转向我，向我展示了一张复杂的矩阵式图表。那是一张看起来像电子表格的东西，但表格里填充的不是数字，而是众多变化繁复却又层次分明的色块。他踌躇满志地说道：“当我拿出这个表告诉人们，我终于揭示了神经元彼此之间千变万化的连接，他们可能只是一头雾水。但如果我向人们展示——这个，他们一定会大吃一惊。”说着，他点击了一个按钮，屏幕上赫然浮现出一个透明的三维大脑模型，模型绕轴线旋转，上面满是节点和图线，星罗棋布，不计其数。

Zador向我展示的是一张老鼠的“大脑地图”，大约由50,000个神经元组成。图上标明了每个神经元细胞体的具体位置，甚至还描绘出了神经元轴突的位置。具有这种尺寸和细节的神经示意图还从未有过。Zador放弃了荧光标记神经元等传统脑结构测绘方法，转而采用了一种不寻常的技术，该技术得益于冷泉港分子生物学悠久的研究传统。他利用基因组信息，将特定的RNA序列或“DNA条形码”灌进每个独立的神经元。然后他将待测绘的大脑分割成块状，并将其置入DNA测序仪。 于是就得到了我们在文首读到的东西：一个分辨率精确到单个细胞、神经元数量达50,000个并且三维渲染的小鼠大脑模型。

Zador的这项杰作，还在做进一步的完善。但是他和同事在Nature最近发表的一篇论文中表明，这种被称为MAPseq（Multiplexed Analysis of Projections by Sequencing）的技术，可以用来观察以前没有观测到的新型细胞和突起。该论文还表示，这种新型高通量测绘方法在准确性方面能与荧光标记技术一较高下。管荧光技术是目前的黄金标准，但它只在神经元数量很少的时候效果最佳。

冷泉港实验室神经生理学家Tony Zador

如Zador自己所说，这个项目是在“日常工作的挫折中诞生的”。他此前主要研究啮齿动物的听觉决策，探究它们的大脑是如何听到声音、如何处理音频信息并确定行为输出的。电生理学记录和其他传统工具都不能使在数学上有精确追求的科学家们满意。 Zador认为，问题在于我们对神经元的线路连接不够熟悉，这促使他寻求一种新型的大脑成像手段。

大脑测绘技术的最新进展集中体现在艾伦人脑图谱（Allen Brain Atlas）上，艾伦人脑图谱由许多实验室多年的工作成果编绘而来，费用高达2500万美元。艾伦人脑图谱因其容量之大而闻名于世，因为它以群组形式描绘出了所有已知的神经元亚群。它对研究人员非常有用，但使却不能区分神经元亚群内部的细微差异。

“如果我们想知道老鼠是如何听到尖锐的颤音的，我们就需要从一张大脑的地图开始。”在Zador看来，对这种神经回路缺乏认识，也一定程度上制约了神经疾病治疗的进步和人工智能的发展。

斯坦福大学神经科学家Justus Kebschull以前是Zador实验室的研究生，他表示，如果不知道神经元彼此之间的连接线路，神经科学就好似“试图通过外部观察来研究计算机的运行原理，而事实上，如果不弄清楚系统间各个元件之间的连接方式、信息交换方式，这一切都是枉然。”

Zador了解到一种名为Brainbow的大脑测绘技术时获得了关于MAPseq的灵感。Brainbow这一来自哈佛大学Jeff Lichtman实验室的技术着实令人瞩目，它使用不同的荧光染料组合同时对200个神经元进行标记。随后得到的是一个引人入胜、绚烂多姿的霓虹色神经元画面，它详细地展示了神经元胞体与轴突间的复杂联系。这项开创性的工作给Zador带来了希望：大脑中神经连接的完整测绘很快就会成为现实。不幸的是，Brainbow技术的局限性在于，实验者透过显微镜只能分辨大约五到十个不同的颜色，这不足以区分大脑皮层中缠结在一起的神经元。

这时候Zador脑海中灵光一闪，他意识到，如果研究人员能够利用起高通量基因组测序技术，那么凭借该技术不断增长的发展速度和日益缩减的成本，神经元连接的巨大复杂性的挑战将能够得到克服。

在MAPseq中，研究人员将携带有已知RNA序列或DNA条形码的病毒注射到动物体内。在一周或更长的时间里，病毒会在动物体内繁殖，并为每个神经元灌制这些DNA条形码的独特组合。当研究人员将大脑切成小块时，RNA条形码可以帮助他们追踪样本中的单个神经元。

Zador的敏锐见解孕育了新的论文成果。不久，在神经科学家Thomas Mrsic-Flogel的领导下，Zador的实验室协同一个来自伦敦大学的团队，使用MAPseq对鼠类视觉系统中的近600个神经元做了测绘。

对鼠类大脑中数千万个神经元而言，测绘600个只能算作一个开始。但是研究人员已经达到了目的，他们正在探寻：他们所探寻的是，能否通过一种结构来表达大脑内部的布线模式及其功用等的相关信息特征。

目前流行的一个理论是：在大脑皮层的视觉区域，单个神经元收集来自眼睛的特定位点的信息，这些信息关涉到视域中物体对象的边缘，以及某种类型的运动和空间性取向等等。然后，这些神经元将信号发送到大脑中专门处理该类型信息的对应区域。

为了验证这一理论，Zador的小组首先通过将特定序列的基因荧光染料安插至单个细胞中，以传统方式标记了小鼠的一些神经元。然后，他们用显微镜追踪细胞是如何从初级视觉皮层（接受眼睛输入的大脑区域）传递信息到大脑其它地方的。他们发现，神经元的轴突同时向许多区域发送信息，推翻了一对一的映射理论。

接下来，他们探寻这些映射是否有任何模式可循。他们使用MAPseq追踪了591个神经元的映射，这些神经元分支很多并且支配多个目标。他们观察到轴突的分布是有规律的：例如，一些神经元总是将轴突延伸到A，B和C区域，但从未延伸至D和E区域。

这些结果表明，视觉系统包含令人眼花缭乱的连接复杂性，这些连接的模式比一对一映射复杂得多。Kebschull说：“更高级的视觉处理区域并不只是获得为他们量身定制的信息，相反，他们共享许多相同的输入，他们的运作很可能彼此关联。”

然而，某些细胞映射到特定区域的事实也意味着，在视觉皮层内存在尚未被识别的特化细胞。Kebschull表示，这张地图就像是一张图纸，可以让后来的研究人员了解这些细胞在做什么。他说：“MAPseq允许我们描绘出硬件的状态......一旦我们弄清楚了硬件，我们就能进一步探索软件，或者追问运算是如何发生的。”

MAPseq在测绘速度和成本上的竞争优势是相当可观的。根据Zador的说法，这项技术能够将可测绘的神经元个数扩展到10万个，而所需的经费仅约1万美元。这不仅远快于传统测绘方式，而且成本也只需后者的几分之一。

这样的优势将使得测绘并比较脑细胞的海量神经通路成为可能。那些被认为是由于大脑布线结构差异导致的疾病，诸如精神分裂症和自闭症等，它们往往使研究人员感到束手无策，因为现有的工具不足以捕捉到足够的神经连接细节。可以想象，在MAPseq的基础上，研究人员将能够绘制小鼠脑模型，并将其与更多典型的脑结构进行比较，从而催生新一轮的研究。艾伦脑科学研究所结构科学部门执行主任曾鸿奎表示：“很多精神疾病都是由神经元回路层面的问题引起的，而连接信息会告诉你病灶所在。”

高通量测绘还可以让科学家收集大量神经学数据，并寻找反映大脑工作原理的连接模式。索尔克生物研究所的分子神经生物学家Sreekanth Chalasani说：“Tony是在以一种恰如其分的方式来看待大脑，就像人类基因组图谱提供了一个基本框架来测定基因序列、探究结构功能一样，Tony的创举也可以称为‘大脑框架’。”

人类基因组图谱还并未揭示生物学上所有运作的奥秘，但它确实提供了生物分子结构的清单，并为研究领域开辟了新天地。同样，在目前的开发状态下，MAPseq暂时还不能提供它所测绘的神经元连接的功能及位置，但Zador已经在做相关计划，他还与其他研究专家开展合作，例如在恐惧条件反射上的神经回路的研究。

Zador 说：“我认为我们对神经元连接的知识将能够得到提升。虽然，它就像基因组计划一样——我们很难说它有趣，但它的确引领了变革。而这也是我兴奋的缘由，我希望它能为神经元领域的后续工作奠定基础。”

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