Nature绘制大脑发育图

哈佛大学和Broad的研究人员结合了单细胞基因组技术来绘制小鼠大脑皮层的图谱

　　

         

正在发育的大脑皮层的显微镜图像，显示两种类型的神经祖细胞(蓝色和绿色)和年轻的正在发育的神经元(红色)。该图像代表了研究中使用的一种组织。

哈佛大学(Harvard)和布罗德大学(Broad)的研究人员将单细胞基因组技术结合起来，绘制了小鼠皮层的图谱

哈佛大学(Harvard University)、麻省理工学院(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)的布罗德研究所(Broad Institute of MIT)的研究人员，将多种先进的基因组技术应用于大脑皮层负责处理身体感觉的部分，创建了一个详细的小鼠大脑发育中的一个关键区域的图谱。通过测量基因活动和调控是如何随时间变化的，研究人员现在对大脑皮层是如何形成有了更好的理解，以及一套全新的工具来探索大脑皮层是如何在神经发育疾病中受到影响的。这项研究发表在《自然》杂志上。

Paola Arlotta说:“我们一直对了解哺乳动物大脑皮层的发展很感兴趣，因为它是高级认知的中枢，也是在人类进化过程中大脑中扩张和多样化最多的部分。”他是这项研究的合著者，也是哈佛大学干细胞和再生生物学的戈卢布家族教授。“在这项研究中，我们用非常精细的透镜观察皮质，实际上描绘了它的所有细胞，一个接一个，每天的发育过程。我们以前所未有的时间分辨率对基因表达和调控的变化进行了编目，建立了这一惊人组织的首个单细胞分辨率分子地图。这幅地图让我们得以首先提取出控制大脑皮层如何形成的机械原理，并开始解码基因异常如何影响胚胎中这种高度受控的过程。”

“在发育中的大脑中，我们必须考虑三件事:存在的细胞类型，这些细胞位于哪里，以及它们处于发育的哪个阶段。此外,这一过程通过识别驱动程序直接在正常发展,我们可以更好地了解在疾病可能出错,“文章的第二作者特拉维夫雷格夫说,他是一个核心研究所成员广泛研究所研究开始时,目前基因泰克公司研究主管和早期发展。

研究人员将重点放在了躯体感觉皮层上，它可以作为大脑皮层其他区域的模型，因为它包含代表所有主要类别的细胞。对于大脑皮层发育的每一天，研究人员在单细胞水平上使用多种技术分析大脑。他们使用RNA-seq来测量哪些基因表达，以及空间转录组学来测量基因在组织中的表达位置。他们还使用ATAC-seq来测量基因组的哪些部分可以进行调控。

“这些技术让我们能够研究不同的基因表达模式，以及基因如何相互调节。例如，通过结合这三种模式，我们对哪些是指导神经元发育的重要基因有了更强的认识。”

例如，皮层不同神经元种群的多样性是何时形成的，目前还不清楚。迪贝拉说:“我们发现，神经元的不同口味是在神经元成熟过程中决定的，而不是预先在它们的干细胞中形成的。”

研究人员还利用他们的数据来预测基因突变如何导致皮质发育缺陷的潜在机制，发现哪些特定的发育步骤失败了，哪些细胞受到了影响。

“我们已经创建了一个独特的全面的发育中的躯体感觉皮层分子图谱，我们正在继续挖掘数据以获得更多的见解，”共同第一作者伊桑·哈比比(Ehsan Habibi)说。“我们的目标是让我们的数据成为更广泛的神经科学领域的资源，并告知该领域如何看待大脑在正常和疾病过程中的发育。”

“这些综合的、广泛的测量为我们提供了第一个动态的观点，即当大脑的这一关键区域在胚胎中形成时，分子事件的交响乐是如何展开的，”Arlotta说，他也是Broad研究所斯坦利精神病学研究中心的成员。“研究人员已经研究大脑皮层的发育过程一个多世纪了，但控制细胞如何形成以及它们如何相互作用最终形成功能回路的机制事件仍然难以捉摸。作为一个领域，我们在历史上观察过这种复杂的正在发育的组织，每次只观察一种细胞类型，并研究了少量的基因，看看它们在拼凑这一惊人谜题中的作用。但是大脑并不是在同一时间发展出一种细胞类型——它是一个真正的交响乐，在这个意义上，它是数百种细胞类型一起经历发展，利用不断变化的基因景观形成成人组织。现在想象一下，第一次拥有任何特定细胞类在其发育过程中所使用的全部基因“配方”。想象一下，当不同谱系的细胞彼此分离并形成时，“基因密码”就会开启或关闭。这种包罗万象的机制知识提供了一个以全新的方式研究皮层发育的机会，观察所有的细胞和所有的基因。我们以前从来没有得到过如此完整的信息，我必须承认，我怀着敬畏的心情看着这些数据，思考着它可能带来的发现类型。”

雷格夫说:“十年前，这项研究是不可能的，因为技术要么不存在，要么还不够成熟。”“但随着单细胞和空间转录组学的进步，以及用于大数据分析的新的机器学习算法，我们能够绘制细胞发育的位置，将这些地图放在一起，并像电影一样观察细胞发育的展开。”我们不仅可以重建电影，还可以把这张照片与对大脑发育的生物学理解联系起来。我们希望这种方法有朝一日能帮助我们更好地了解和治疗脑部疾病。”

Arlotta补充说:“这是一部非常有趣的电影，我一直期待在我的科学生涯中拍摄这部电影。”