尽管我们所有的细胞都共享相同的 DNA，但人脑中有数千种不同的细胞类型，每种细胞都有独特的结构和功能。神经科学中一个长期存在的问题是确定基因如何打开和关闭以形成大脑内不同细胞类型的镶嵌体。今天，加州大学圣地亚哥分校医学院的科学家发表了两项新研究，使我们更接近解开这个谜团。

研究人员分析了超过 230 万个小鼠脑细胞，创建了小鼠大脑的综合图谱，并利用人工智能帮助预测哪些 DNA 片段用于确定脑细胞的类型。研究人员还观察了人类和灵长类动物的大脑，以研究细胞用于打开和关闭基因的过程的进化。研究结果于 2023 年 12 月 14 日发表在《自然》特刊上。Nature。

“细胞的 DNA 就像它的语言，”资深作者、加州大学圣地亚哥分校医学院教授 Bing Ren 博士说。 “就像许多语言共享某些词根一样，某些基因和基因表达模式在不同物种中是保守的。学习理解和解释大脑的分子语言可以帮助我们更多地了解大脑的一般工作方式以及大脑在神经精神疾病中会发生什么。”

这两篇新论文是由 10 项研究组成的一部分，这些研究描述了哺乳动物大脑的第一个完整细胞类型图谱，由加州大学圣地亚哥分校、索尔克生物研究所、艾伦脑科学研究所和其他机构的研究人员领导。该研究是美国国立卫生研究院 2014 年启动的“通过推进创新神经技术进行大脑研究®计划”或“大脑计划®”的一部分，该计划旨在加深我们对人类思维内部运作方式的理解，并改善我们治疗、预防和治疗的方式大脑疾病。

“这项工作正在帮助我们在细胞水平上建立对大脑的基本了解，”任说。 “这将使我们的基线与患有神经和精神疾病的大脑之间进行比较成为可能。以这种方式研究大脑可以帮助我们发现针对这些疾病的新治疗方法。”

大脑计划下最雄心勃勃的项目之一是细胞普查网络 (BICNN)，该网络旨在以前所未有的分子细节描述人类脑细胞，将它们分类为更精确的亚型，查明它们在大脑中的位置，并跟踪一生中细胞特征的变化。今年早些时候，和 BICCN 的其他科学家发表了首个人类大脑图谱，其中识别了一百多种类型的脑细胞。他们的新小鼠大脑图谱补充了这项工作，并通过比较不同物种的大脑对其进行了扩展。

例如，通过将小鼠的大脑与人类和非人类灵长类动物的大脑进行比较，研究人员发现，特定于细胞类型的基因表达模式的进化速度比跨细胞类型共享的模式要快得多。这可能有助于解释为什么大脑中有如此多不同的细胞类型。

“人类已经进化了数百万年，其中大部分进化历史与其他动物共享，”索尔克生物研究所教授约瑟夫·埃克博士说，他与任共同领导了一项新研究。 “仅来自人类的数据永远不足以告诉我们我们想知道的有关大脑如何工作的一切。通过与其他哺乳动物物种填补这些空白，我们可以继续回答这些问题，并通过向它们提供更多数据来改进我们使用的机器学习模型。”

虽然 BRAIN Initiative 和 BICCN 仍然是正在进行中的项目，但一些见解已经被证明与人类疾病相关。例如，研究人员发现，许多决定细胞类型的遗传程序位于基因组的某些部分，而这些部分已经与人类疾病有关，例如多发性硬化症、神经性厌食症和草使用障碍。这可能有助于揭示神经精神疾病如何影响大脑。

“大脑并不是同质的，疾病不会同等地影响大脑的所有部分，”任说。 “这项研究和 BRAIN 计划作为一个整体的见解正在帮助我们更好地了解哪些类型的细胞受到特定疾病的影响。我们希望这将为更精确、更有针对性的疗法铺平道路，这些疗法可以治愈患病细胞而不影响大脑的其他部分。”