麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的一组科学家利用最近开发的空间转录组学技术绘制了哺乳动物大脑中第一个细胞类型的综合图谱，该技术不仅可以揭示单个细胞的基因活性，以及它们在组织和器官中的位置。
《自然》杂志中描述的图谱 描绘了整个小鼠大脑中的数千个细胞群，揭示了未充分研究的大脑区域中令人惊讶的细胞多样性，以及提供比以前更深入的大脑结构视图。这项工作由布罗德研究所成员、马萨诸塞州总医院副教授兼主治精神病医生 Evan Macosko领导，以及 陈飞，布罗德研究所核心成员，哈佛大学干细胞与再生生物学系助理教授。两人都是该论文的资深作者。
研究小组测量了整个小鼠大脑中单个细胞基因组中所有基因的活性，并分配了细胞在组织内的位置。他们的分析发现了小鼠大脑中估计 90% 的细胞群。科学家们发现，大多数细胞多样性存在于大脑相对未被充分研究的皮层下区域，尤其是中脑、脑桥、延髓和下丘脑。 “我们怀疑这些领域会发现最多的多样性，因此我们在分析中优先考虑它们，”马科斯科说。 “大脑所做的许多真正的具体工作都在这些基本区域中，与皮质相比，这些区域很少受到关注。我们的结果强调需要更深入地研究它们。”研究人员还发现了有关细胞功能和大脑结构在疾病中的潜在作用的线索。
“这样的努力为神经科学界创造了重要的资源，因为大脑非常复杂，”陈说。
Macosko 补充道：“我们的地图集代表了 Broad 十年工作的顶峰。费和我在实验室开发了这项技术，并用它来处理有史以来最大的单细胞和空间数据集，从而形成了哺乳动物大脑中第一个全面的细胞类型图谱。”
这项研究是《自然》杂志上 10 篇论文的其中一篇 Nature ，这些论文采用独特但互补的方法来绘制小鼠神经系统图谱单细胞水平。这些研究来自布罗德大学、艾伦脑科学研究所、索尔克生物研究所以及隶属于美国国立卫生研究院“通过推进创新神经技术®计划进行脑研究”或“大脑计划 - 细胞普查”的其他机构的研究小组网络(BICCN)。这些论文共同描述了整个哺乳动物大脑的第一个完整的细胞类型图谱。
该软件包包括小鼠大脑和脊髓的空间单细胞图谱，该图谱于 9 月份首次在线发表于 Nature 和领导者为 Xiao Wang(Broad 核心研究所成员、Merkin 研究所研究员、麻省理工学院化学助理教授)和助理 Jia Liu哈佛大学工程学教授。 Wang 和 Liu 的团队独立于 BICCN，使用他们开发的空间转录组学技术来分析 1000 多个基因的表达，并以无与伦比的亚细胞分辨率详细描述单个细胞的位置。他们鉴定了数百种细胞类型，生成了小鼠大脑和脊髓的高精度组织图，并证明了他们的方法在揭示基因传递病改变哪些细胞类型和大脑区域方面的实用性。
绘制大脑图谱
在 Macosko 和 Chen 实验室的研究中，科学家们共同开发了空间转录组学方法，并将其应用于整个小鼠大脑。他们还依赖 Broad 的 基因组学平台 成员以及支持 Hail团队的专业知识，一种用于可扩展基因组分析的开源工具。
研究人员识别了数千个独特的细胞群，并以接近细胞的分辨率绘制了它们在整个组织中的位置。他们估计，他们的分析捕获了小鼠大脑中约 90% 的细胞类型，包括大脑中尚未探索的区域的大量细胞类型。研究人员创建了一个在线浏览器来存储数据集并与科学界共享数据集 (http://www.BrainCellData.org/)。
该团队使用高通量单核 RNA 测序分析了小鼠大脑近 100 个区域的细胞的完整转录组，这是创建人类大脑图谱的首选方法。这产生了超过 400 万个基因活动图谱，他们将其聚集成近 5,000 个独特的细胞群，其中大部分是神经元细胞。
团队接下来应用了 一种由 Chen 和 Macosko 实验室开发的方法 ，称为 Slide-seq。他们将覆盖单个小鼠大脑体积的 101 个连续切片转移到覆盖着独特 DNA 条形码的珠子阵列上，这些条形码与脑组织中的 mRNA 转录物结合。然后，他们对这些转录本进行测序，并将空间数据与现有的 3D 参考图集进行比对，使他们能够将每个转录本分配给一个已知的大脑结构，代表超过 170 万个映射的细胞。研究人员结合了单核测序数据集中详细且采样良好的细胞类型概况，定位每个切片中的每种细胞类型，从而生成整个小鼠大脑的详细而全面的图谱。他们还分析了数据集，找出了两个或三个标记基因，可用于唯一地识别几乎所有细胞群。
作者说，其他科学小组可以使用他们确定的转录组图谱、空间定位和标记基因组来研究感兴趣的特定细胞。小组还可以通过将数据与他们自己对特定大脑区域的更详细检查相结合来使用这些数据。 “我们希望我们的图谱既能帮助社区开展自己的工作，又能让他们进一步探索我们确定的细胞类型，”共同第一作者 Jonah Langlieb 说，他是 Macosko 实验室的计算生物学家，与同事一起领导了这项工作。 ——第一作者尼娜·萨赫德夫。
研究小组还揭示了不同大脑区域的不同细胞类型如何使用被称为神经递质的信号分子。此外，他们还证明了图谱在揭示疾病相关基因活跃的位置方面的实用性，例如，富含与精神分裂症相关遗传因子表达的特定神经元细胞。
这 10 项研究共同提供了关于大脑非凡复杂性的丰富而深刻的新观点，它们的数据集和方法为更大的努力奠定了基础，为其他小鼠器官和人类大脑做同样的事情。
Macosko 说：“通过绘制小鼠大脑(神经科学中使用的主要哺乳动物系统)的图谱，我们提供了分子、功能和解剖学分类，为下一步的人类大脑图谱绘制提供了关键基础。”
