按细胞类型组装大脑接线图——START法

这项新技术比以前的方法更详细地绘制了小鼠视觉皮层中约50种抑制性神经元的相互作用。

　　

一项新技术可以同时识别小鼠大脑中的神经元类型并绘制出它们之间的连接图。研究人员说，该工具结合了神经元追踪和单细胞测序，可以帮助揭示细胞的身份如何影响皮质功能。

这种方法被称为START，即“狂犬病毒辅助单转录组追踪（single transcriptome assisted rabies tracing）”，它根据细胞的基因表达将细胞分组，并追踪它们之间的联系。研究表明，如果一个群体表现出不同的连接模式，那么它很可能代表了一个不同的亚型。通过将该工具应用于小鼠视觉皮层，研究小组确定了抑制神经元的几个亚组之间的联系，并发现了可能在人类中保守的相互作用。

斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）神经科学副教授Xin Jin表示：“这不仅代表了技术上的突破，而且为思考是什么决定了细胞类型提供了一个新的框架。”他没有参与这项研究。

索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）系统生物学教授、研究人员Edward Callaway说，START的发现可以用来产生关于皮层回路如何工作的假设。他说：“要了解任何复杂系统的工作原理，你需要一个零件清单和一个显示这些零件如何协同工作的接线图。”

过去由Callaway和其他研究人员领导的研究，代表大脑倡议细胞普查网络，产生了零件清单。利用单细胞转录组学与其他技术相结合，该联盟确定了小鼠大脑中约5000种神经元亚型。现在Callaway和他的同事们正在研究这些单个细胞类型的接线图。

在这种情况下，该小组将转录组学与狂犬病追踪相结合，这也是Callaway团队开发的一种方法。通过用一种改良的狂犬病毒感染神经元，这种病毒只能在突触连接的细胞之间跳跃，研究人员可以追踪选定神经元的直接连接。

他们使用这种技术来追踪抑制性神经元，因为它们的短程连接可以在单个400立方微米的组织样本中检测到。更重要的是，抑制性神经元的多样性令人难以置信，即使在属于同一细胞类型的神经元之间，这种个性也使得将抑制性神经元与某些大脑功能相匹配变得棘手。这不仅代表了技术上的突破，而且为思考是什么决定了细胞类型提供了一个新的框架。

研究小组追踪了小鼠视觉皮层中抑制性神经元与兴奋性细胞的相互作用，然后对35000多个神经元的细胞核进行了测序。他们根据基因表达的相似性确定了大约50种抑制性神经元亚型。通过追踪先前描述的视觉皮层回路，如皮层第五层内已知的相互作用，验证了这项技术。但是当他们将细胞分成转录组亚型时，他们发现了以前未知的联系。

例如，血管活性肠肽(VIP)-表达神经元-先前已知抑制其他抑制性神经元-由两组组成，要么寻求或避免与兴奋性细胞连接。这些发现暗示VIP神经元的研究可能因为混合了多种功能相反的细胞类型而受到阻碍。

研究还发现，一种第六层兴奋性神经元（已知投射到丘脑，调节对睡眠和记忆形成很重要的慢波节律）的大部分输入来自一种罕见的表达生长抑素的神经元亚型Chodl细胞。虽然Chodl细胞只占生长抑素神经元的1%，但它们形成了与这些神经元的20%以上的连接。

这种优先的相互作用可能代表了一种跨物种保守的电路基序。Callaway的团队下一步要做的是观察视觉回路是否在小鼠大脑的其他皮层区域，以及脑肿瘤或癫痫手术后捐赠的人体组织中重复出现。研究结果发表在9月30日的《Neuron》杂志上，测序数据也可在GEO上公开获取。这种方法有助于解决基于转录差异分配细胞类型身份的“一个主要争议领域”。

此前，研究人员一直不确定不同的基因表达模式是否反映了神经元身份的差异，或者只是细胞通路的波动。但是Kriegstein说，观察细胞是否有不同的连接模式使得区分细胞类型和细胞状态成为可能。

阿尔伯塔大学（University of Alberta）的生理学助理教授Martin Munz没有参与这项研究，他说，将START与其他方法结合起来，可以为数据增加一个额外的维度。他说，例如，结合空间转录组学可以告诉我们这些部分，它们是如何相互作用的，以及它们在大脑中的位置。

即使有了所有这些信息，研究人员也只能对电路的功能进行有根据的猜测。针对特定细胞类型的增强子的持续发展可以帮助研究人员将电路与行为相匹配。“这是这个（工具）问世的好时机。”