活體腦化學(xué)物質(zhì)分析在靈長類動物大腦連接組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的應(yīng)用

2022年6月21日神經(jīng)生物科學(xué)家蒲慕明院士在Cell雜志上發(fā)表評論文章，簡述靈長類大腦的連接組學(xué)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

神經(jīng)解剖科學(xué)家Ramon y Cajal提出神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的基本單位重要論斷后，神經(jīng)生物學(xué)家圍繞神經(jīng)元存在哪些類型及其它們在大腦中如何聯(lián)系等關(guān)鍵問題展開深入研究。傳統(tǒng)上基于細(xì)胞形態(tài)、電生理活動特點(diǎn)、基因表達(dá)等多種方法對神經(jīng)元進(jìn)行分型。

通過特定細(xì)胞類型的病毒載體結(jié)合透明腦技術(shù)、高分辨率光學(xué)成像技術(shù)繪制了大腦介觀連接圖譜，定義了不同投射類型的神經(jīng)元，具有長距離、全局連接性特點(diǎn)。通過電子顯微鏡重構(gòu)神經(jīng)元突觸連接繪制的大腦微觀連接圖譜，定義突觸連接類型的神經(jīng)元，具有短距離、局部連接性的特點(diǎn)。

近年來，隨著研究技術(shù)的不斷突破，單細(xì)胞測序加快了給每個(gè)神經(jīng)元一個(gè)“身份證”的速度。

作為神經(jīng)元類型的表征應(yīng)當(dāng)在整個(gè)生命周期是穩(wěn)定存在的，而在某個(gè)有限的時(shí)間窗口內(nèi)基因表達(dá)、生理特性和形態(tài)學(xué)/連接性的持續(xù)變化可被認(rèn)為是神經(jīng)元的不同狀態(tài)。迄今為止，在大多數(shù)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析中，轉(zhuǎn)錄組表達(dá)模式的時(shí)間變化信息在很大程度上是缺失的。

深圳華大基因基于細(xì)胞核納米球陣列芯片和原位捕獲技術(shù)研發(fā)的高分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)stereo-Seq可實(shí)現(xiàn)解析了發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)的時(shí)空動態(tài)變化，這在極大程度上提高了解析大腦圖譜的時(shí)空分辨率，讓大腦圖譜更精細(xì)化。

然而，面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題就是：如何對上述多種技術(shù)定義的神經(jīng)元類型進(jìn)行統(tǒng)一。

不同分化神經(jīng)元的穩(wěn)定基因表達(dá)模式與其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能需求存在匹配，這種匹配過程出現(xiàn)在有絲分裂后神經(jīng)元遷移到大腦中指定的位置并形成突觸連接的時(shí)候。因此在一類具有獨(dú)特的連接組學(xué)特點(diǎn)的神經(jīng)元群中穩(wěn)定表達(dá)一組基因后，基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和連接組學(xué)的神經(jīng)元亞型可被統(tǒng)一化。

單細(xì)胞測序技術(shù)已應(yīng)用到小鼠、靈長類動物、人類組織中，其中在靈長類動物（狨猴、獼猴等）中的應(yīng)用還處于早期階段。盡管可以從外科手術(shù)或尸檢組織中獲得人類大腦組織進(jìn)行單細(xì)胞測序，試圖通過注射病毒獲得介觀連接組學(xué)是很難實(shí)現(xiàn)的。但是目前在非人類靈長類動物實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和介觀連接組學(xué)神經(jīng)元亞型的統(tǒng)一有可能實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)現(xiàn)這種統(tǒng)一也面臨一些挑戰(zhàn)：在靈長類動物實(shí)現(xiàn)標(biāo)記不同分子亞型的神經(jīng)元，需要不同啟動子的病毒載體工具；對靈長類動物進(jìn)行全腦高時(shí)空分辨率光學(xué)成像獲得的數(shù)據(jù)量非常大，數(shù)據(jù)分析工作艱巨；解析不同腦區(qū)的功能連接，繪制每一種類型的神經(jīng)元輸出圖譜，工作量很大。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)和功能組學(xué)能夠全面揭示特定神經(jīng)元亞型的特點(diǎn)，以便于進(jìn)行對這些神經(jīng)元亞群進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和活性的調(diào)控。在向臨床醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化過程中不得不面對一道“鴻溝”：大腦疾病摻雜著遺傳背景、環(huán)境因素等復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制。在錯綜復(fù)雜、相互連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中很難解釋多個(gè)大腦區(qū)域中相關(guān)活動之間的因果關(guān)系。

目前治療大腦疾病的手段主要為藥物治療和神經(jīng)調(diào)控技術(shù)（經(jīng)顱磁刺激、深部腦刺激、超聲波刺激等）。藥物治療不具有神經(jīng)環(huán)路的特異性，引起非特異性神經(jīng)環(huán)路反應(yīng)。理論上，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)基于疾病相關(guān)特定類型神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路實(shí)現(xiàn)治療作用的，但這很難實(shí)現(xiàn)。這些神經(jīng)調(diào)控技術(shù)存在低分辨率、特異性低等共同缺陷。與此同時(shí)，個(gè)體之間差異性也使神經(jīng)調(diào)控的治療效果增加了變數(shù)。

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