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几十年来，科学家们一直认为大脑是一个名副其实的黑盒子 – 现在Catherine Dulac和Xiaowei Zhuang已准备好打开它。
Dulac，希金斯分子和细胞生物学教授，Lee和Ezpeleta艺术与科学教授，以及庄，David B. Arnold，Jr。科学教授，是一项新研究的高级作者，创造了第一个 – 小鼠大脑中重要区域的细胞图谱。
Dulac，Zhuang及其同事利用先进的成像技术，在2毫米×2毫米×0.6毫米的脑块中检测了超过100万个细胞，不仅识别了70多种不同类型的神经元，而且还精确定位细胞所在的位置及其各种功能。这项研究在11月1日的“科学”杂志上发表。
“这让我们对大脑的细胞，分子和功能组织进行了细致的观察 – 之前没有人将这三种观点结合起来，”杜拉克说。“这项工作本身就是一项突破，因为我们现在以前所未有的方式理解了几种行为，但这也是一项突破，因为这种技术可以在大脑的任何地方用于任何类型的功能。”
这项研究的出发点是为了解决杜拉克所谓的基本生物问题以及随之而来的技术挑战。
“问题是很久以前人们意识到，为了研究大脑，你需要了解它的成分，而那些成分就是细胞，”她说。“因此，如果你采取一块组织并观察细胞表达的基因，它会告诉你有多少细胞类型……但这仍然会给你留下一个大问题。”
她说，这个问题是这些技术需要研究人员将细胞与组织分离，并且在此过程中他们失去了宝贵的信息 – 细胞如何在组织中组织起来。
“如果你真的想要了解大脑，你需要空间背景，因为大脑不像肝脏或其他器官，细胞以对称的方式组织，”杜拉克说。“大脑是不寻常的，因为它具有神经元的这种拓扑排列…所以我们希望能够看到大脑的一部分，看看那里有哪些细胞，但也看到它们在哪里以及周围有哪些类型的细胞他们。”
幸运的是，Dulac说，庄的实验室近年来开发了完美的工具 – 多路复用误差 – 稳健荧光原位杂交 – 或简称MERFISH。
随着STORM的发展，一种超分辨率成像技术，研究人员可以让研究人员对具有纳米级分辨率的单个分子进行成像，庄先生不仅将目标放在成像上，而且还将所有分子都用于成像。
“我们的细胞中没有一种或两种不同的分子，我们有成千上万的基因被表达，使分子机器能够赋予细胞功能，”她说。“我希望能够同时对所有这些基因进行成像，这就是我们开发MERFISH的原因。”
MERFISH方法的工作原理是将“条形码”分配给细胞的RNA，将它们与DNA探针库杂交以代表这些条形码，然后通过成像读出这些条形码以确定单个RNA分子的身份。通过多轮成像同时读出许多不同的条形码。
“这种方法的一个惊人特性是可以成像的基因数量和成像轮次数之间的指数缩放，”她说。“如果你想看10,000个基因，你可以尝试蛮力方法，一次做一个，但当然没有人会尝试过.MERFISH方法非常强大，因为它可以让我们成像并区分成千上万在大约10轮成像中不同的RNAs。“
Zhuang及其同事在MERFISH中建立了一种纠错方法，以确保正确读取条形码。而不是使用所有可能的条形码，其中单个错误可能导致一个代码被误读为另一个有效代码 – 团队选择条形码的子集，如果同时发生多个错误，则只能被误读，从而大大降低错误识别的可能性一个基因。
“我们发明MERFISH的主要应用之一是原位鉴定细胞类型，因为不同的细胞类型具有不同的基因表达谱。因此，这些基因表达谱为细胞类型鉴定提供了定量和系统的方法，”庄说。“因为我们可以通过MERFISH成像在完整的组织中做到这一点，我们也可以提供这些细胞类型的空间组织。”
有了MERFISH，Dulac，Zhuang及其同事着手解决那些长期困扰科学家试图理解大脑运作方式的基本生物学问题。
“大脑中有一些区域已经被研究过了，就像皮层一样，人们注意到细胞是以特定的方式组织的，但是有很多脑区我们不知道组织的原则，”杜拉克说过。“我们在这项研究中看到的区域，即下丘脑，对于许多功能来说绝对必不可少……它可以控制口渴，喂养，睡眠和社交行为，如育儿和生育，但我们不知道这种结构是怎样的有组织的。”
为了解开这个谜团，Dulac和Zhuang将MERFISH与另一种称为单细胞RNA测序的方法相结合，该方法允许对细胞的基因表达谱进行无偏序量化。“这不仅允许细胞类型在下丘脑中编目，而且还提供了这些细胞类型的分子特征，并促进了MERFISH成像基因组的选择，”庄说。
基于这些分子特征和其他具有功能重要性的基因，他们使用MERFISH同时对整个下丘脑视前区域的150多个基因进行成像，以原位识别细胞类型，并创建细胞所在位置的空间图。
“scRNAseq和MERFISH都能让我们识别出大约70种不同的神经元亚型，其中大部分以前都是未知的”庄说，“MERFISH成像使我们能够另外看到所有70种神经元类型的空间分布，以及非神经类型的空间分布。 – 神经细胞类型。“
“你可以看到的是，有一个精致的空间组织 – 它向你跳跃，”庄说。“你可以看到哪些神经元彼此相邻……不仅如此，而且因为我们的图像是分子的，你可以确定这些细胞是如何相互通信的。此外，由于MERFISH成像具有非常高的灵敏度，我们是能够识别对细胞功能至关重要的低表达基因。“
有了这些信息，该团队着手将特定细胞与特定行为联系起来，解决方案以一种名为c-Fos的基因形式出现，Dulac和庄说。
Dulac说，被称为“立即早期”基因，c-Fos转录在神经活动期间增加，因此如果研究人员能够追踪哪些细胞显示基因增加，他们可以识别在特定行为期间被激活的细胞。
因此，我们允许动物进行某些行为，例如父母，当我们查看哪些细胞是c-Fos阳性时，我们知道只有那些细胞是育儿行为的一部分，“Dulac说。”但是多亏了MERFISH，我们知道哪些基因在这些细胞中表达。
“因此，我们可以用以前无法做到的方式来定义哪些细胞参与特定行为，”她继续道。“这非常精确，极其定量，我们可以看到那些细胞在哪里……所以它是细胞图，分子图和功能图，所有这些都在一起。”
除了育儿之外，Dulac，Zhuang及其同事还发现细胞负责其他行为，包括攻击和交配，虽然他们发现了令人惊讶的共性，但根据小鼠是父母还是处女男性或女性，也存在一些有趣的差异。
展望未来，Dulac和Zhuang希望进一步探索下丘脑的结构，包括设计更好地了解细胞如何相互连接的方法。
正如研究结果一样重要，杜拉克和庄说，这项工作也应该成为合作力量的一个例子。
“这真是人们所希望的最佳合作，”庄说。“我们的两个实验室的专业知识相得益彰，我们彼此都学到了很多东西。就这一点而言，我们觉得我们对下丘脑有了很多了解，同样凯瑟琳的实验室也非常了解MERFISH成像，所以这是一个真正令人兴奋，有益的过程。“
进一步探索：
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更多信息：
“下丘脑视前区的分子，空间和功能单细胞谱”Science（2018）。science.sciencemag.org/lookup/
… 1126 / science.aau5324
期刊参考：
科学
由…提供：
哈佛大学
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