新研究，利用空間轉錄組學技術，繪制哺乳動物大腦細胞類型的**張綜合圖譜

麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的一組科學家利用最近開發(fā)的空間轉錄組學技術，繪制了哺乳動物大腦中首批全面的細胞類型圖譜之一，該技術不僅可以揭示單個細胞的基因活性，還可以揭示它們在組織和器官中的位置。

《自然》雜志描述的圖譜描繪了整個小鼠大腦中的數千個細胞群，揭示了未被研究的大腦區(qū)域中令人驚訝的細胞多樣性，并提供了比以前更深入的大腦結構視圖。這項工作由Broad研究所成員、麻省總醫(yī)院(Massachusetts General Hospital)副教授兼主治精神病學家Evan Macosko和Broad研究所核心成員、哈佛大學干細胞與再生生物學系助理教授Fei Chen領導。兩人都是該論文的資深作者。

研究小組測量了小鼠大腦中單個細胞基因組中所有基因的活性，并確定了細胞在組織中的位置。他們的分析揭示了小鼠大腦中大約90%的細胞群。科學家們發(fā)現(xiàn)，大多數細胞多樣性存在于研究相對較少的大腦皮層下區(qū)域，尤其是中腦、腦橋、髓質和下丘腦。

Macosko說:“我們懷疑在這些區(qū)域會發(fā)現(xiàn)最多的多樣性，所以我們在分析中優(yōu)先考慮了這些地區(qū)。大腦所做的許多真正的具體工作都是在這些基本區(qū)域，與皮層相比，這些區(qū)域受到的關注很少。我們的研究結果強調了更深入研究它們的必要性。”研究人員還發(fā)現(xiàn)了細胞功能和大腦結構在疾病中的潛在作用的線索。

“像這樣的努力為神經科學界提供了重要的資源，因為大腦是如此的復雜，”Chen說。

Macosko補充說:“我們的地圖集代表了Broad博物館十年來工作的頂峰。Fei和我在我們的實驗室開發(fā)了這項技術，并用它來處理有史以來**的單細胞和空間數據集，從而產生了**個哺乳動物大腦細胞類型的綜合圖譜。”

這項研究是《自然》雜志上10篇論文中的一篇，這10篇論文采用了不同但互補的方法，在單細胞水平上繪制小鼠神經系統(tǒng)。這些研究來自布羅德研究所、艾倫腦科學研究所、索爾克生物研究所和其他機構，這些機構是美國國立衛(wèi)生研究院通過推進創(chuàng)新神經技術計劃或大腦計劃-細胞普查網絡(BICCN)的一部分。這些論文共同描述了**個完整的哺乳動物大腦細胞類型圖譜。

該研究包包括小鼠大腦和脊髓的空間單細胞圖譜，該圖譜于9月**在《自然》雜志在線發(fā)表，由Broad核心研究所成員、默金研究所研究員、麻省理工學院化學助理教授Xiao Wang和哈佛大學工程學助理教授Jia Liu領導。獨立于BICCN, Wang和Liu的團隊使用他們開發(fā)的空間轉錄組學技術分析了1000多個基因的表達，并以無與倫比的亞細胞分辨率詳細描述了單個細胞的位置。他們確定了數百種細胞類型，生成了小鼠大腦和脊髓的高度精確的組織圖，并證明了他們的方法在揭示哪些細胞類型和大腦區(qū)域被基因傳遞病毒改變方面的實用性。

繪制大腦地圖

在Macosko和Chen實驗室的研究中，科學家們共同開發(fā)了他們的空間轉錄組學方法，并將其應用于整個小鼠大腦。他們還依賴于Broad基因組學平臺成員的專業(yè)知識和支持Hail的團隊，Hail是一種可擴展基因組分析的開源工具。

研究人員確定了數千個獨特的細胞群，并以接近細胞的分辨率繪制了它們在整個組織中的位置。他們估計，他們的分析捕獲了小鼠大腦中大約90%的細胞類型，包括大腦中未開發(fā)區(qū)域的大量多樣性。研究人員創(chuàng)建了一個在線瀏覽器來存放和與科學界分享他們的數據集(http://www.BrainCellData.org/)。

該團隊使用高通量單核RNA測序技術分析了小鼠大腦近100個區(qū)域的細胞的完整轉錄組，這是創(chuàng)建人類大腦圖譜的首選方法。這產生了超過四百萬的基因活動圖譜，他們將其聚集到近5000個獨特的細胞群中，其中大多數是神經元細胞。

接下來，該團隊應用了Chen和Macosko實驗室開發(fā)的一種名為Slide-seq的方法。他們將101個連續(xù)切片，跨越單個小鼠大腦的體積，轉移到覆蓋著獨特DNA條形碼的小珠子陣列上，這些陣列與腦組織中的mRNA轉錄物結合。然后，他們對這些轉錄本進行測序，并將空間數據與現(xiàn)有的3D參考圖譜對齊，使他們能夠將每個轉錄本分配到一個已知的大腦結構，代表超過170萬個已繪制的細胞。研究人員結合了來自單核測序數據集的詳細和充分采樣的細胞類型概況，以定位每個切片中的每種細胞類型，從而生成整個小鼠大腦的詳細和徹底的圖譜。他們還分析了數據集，提出了兩個或三個標記基因，可以用來**地識別幾乎所有的細胞群。

作者說，其他科學團體可以使用他們鑒定的轉錄組譜、空間定位和標記基因集來研究感興趣的特定細胞。小組也可以將這些數據與他們自己對特定大腦區(qū)域的更詳細的檢查結合起來使用。

“我們希望我們的地圖集能夠在他們自己的工作中賦予社區(qū)力量，并允許他們進一步探索我們發(fā)現(xiàn)的細胞類型”。

研究小組還揭示了被稱為神經遞質的信號分子是如何被不同大腦區(qū)域的不同細胞類型所使用的。此外，他們還展示了他們的圖譜在揭示疾病相關基因活躍的位置方面的實用性，例如，特定的神經元細胞富集表達與精神分裂癥相關的遺傳因子。

總的來說，這10項研究提供了豐富而深刻的關于大腦異常復雜性的新觀點，他們的數據集和方法為對其他小鼠器官和人類大腦進行同樣的更大努力奠定了基礎。

Macosko說:“通過繪制小鼠大腦圖譜，我們已經提供了分子、功能和解剖分類，為繪制人類大腦圖譜提供了關鍵基礎，這是接下來要做的。”

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