在“人類基因組計劃”（Human Genome Project）宣告基本完成之后，各國科學(xué)家們把目光投向了大腦。

2023年10月12日至13日，美國腦科學(xué)計劃（BRAIN）的實施主體細胞普查聯(lián)盟（Cell Census Network，BICCN）在《科學(xué)》（Science）、《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》（Science Translational Medicine）和《科學(xué)進展》（Science Advances）上共發(fā)表了21篇研究文章，展示了美國腦科學(xué)計劃的一系列研究成果，主要圍繞人類、非人靈長類以及小鼠大腦中的細胞類型和功能。

人腦由近千億個神經(jīng)元細胞組成，它們之間相互連接的突觸數(shù)量近千萬億，堪比宇宙中的恒星數(shù)量。從這個復(fù)雜的神經(jīng)元宇宙中涌現(xiàn)出了語言、思維和情感等等認(rèn)知過程，而人類對這些過程的理解還非常粗淺。

為了揭開大腦的秘密，在2010年后，世界各國紛紛以繪制人腦圖譜為主要目標(biāo)啟動政府主導(dǎo)的大規(guī)模研究計劃，如2013年歐盟的“人腦計劃”（Human Brain Project）和美國奧巴馬政府提出的“創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)大腦研究”計劃（BRAIN），以及2014年日本的“綜合神經(jīng)技術(shù)用于疾病研究的腦圖譜”計劃等。中國也在2021年啟動了“中國腦計劃”。各國大腦計劃的核心都是為了弄清楚神經(jīng)元和突觸的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是如何產(chǎn)生功能的，但研究側(cè)重存在差異。

什么是腦細胞多樣性？科學(xué)家如何對其進行研究？大腦計劃有什么樣的意義？為了回答這些問題，澎湃科技采訪了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員周毅，請他對這些研究進行解讀。

【對話】

從基因?qū)用嫣骄慷鄻拥哪X細胞

澎湃科技：能否介紹一下這次的一系列研究成果的主題？其中有什么突破性的發(fā)現(xiàn)？

周毅（中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員）：這一批的研究工作致力于表征人類、非人靈長類以及小鼠大腦中多樣的細胞類型及其功能，針對人和不同動物模型在胚胎發(fā)育中和成年期的轉(zhuǎn)錄水平、表觀遺傳、空間分布及功能進行了研究，從而使我們對大腦不同細胞類型及其功能如何產(chǎn)生、在進化中如何特化有了高精度大通量的深入理解。

本次研究主要圍繞了以下主題：

1. 繪制了胚胎期間和成體人腦多個腦區(qū)的單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組學(xué)圖譜，描述人腦發(fā)育至成年中的細胞多樣性、空間分布特征、及分子層面的變化。

2. 比較了人、非人靈長類（比如獼猴）、小鼠的腦細胞圖譜的異同，挖掘人腦的特殊性，其中包括細胞類型、基因表達等差異。

3. 探究了人腦中特定的重要細胞類型（如：神經(jīng)干細胞、調(diào)節(jié)腦活動的中間神經(jīng)元等）及其功能，進行組學(xué)和類腦器官建模分析。

澎湃科技：能否介紹一下大腦細胞多樣性的觀點？大腦細胞信息能夠告訴研究人員什么？一般如何去研究？

周毅：人腦由超過800億個神經(jīng)元構(gòu)成，它們是大腦運作的基礎(chǔ)元件。但是它們的構(gòu)成很復(fù)雜，不同的大腦區(qū)域有不同類型的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，每一類細胞還能再分出不同的亞類。神經(jīng)元細胞并不是一種，而是具有多種類型，這就是細胞多樣性的基本觀點。

科學(xué)家們一直試圖理解它們的詳細分類情況，這樣能夠幫助我們了解受疾病影響的某一類細胞的亞類，指導(dǎo)我們對疾病的診斷或者治療（比如：設(shè)計只針對某一個細胞亞類管用的藥物，這樣既能藥效好、副作用又小）；或者，可以幫我們了解只在人腦中才存在的細胞亞型，從而理解人腦相較于猴、小鼠大腦的特殊性。

科學(xué)家在很久以前就意識到大腦細胞存在多樣性。一百多年前，“現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)之父”雷蒙尼·卡哈爾爵士（Sir Ramón y Cajal）就通過稀疏地標(biāo)記大腦細胞和顯微鏡觀察，手繪了神經(jīng)元等大腦細胞的形態(tài)，為后世提供了腦細胞的形態(tài)學(xué)上的參照圖譜，影響深遠。可見擁有單細胞分辨率的研究方法，對于解析大腦細胞的特性很重要。

但是長期以來，腦科學(xué)家們對大腦細胞的基因和分子層面的“身份證”信息了解很少。現(xiàn)在，隨著腦樣本庫的建立和完善，研究人員能夠獲取高質(zhì)量腦組織以進行表征描述，其中包括用多種組學(xué)的單細胞測序分析，深入理解大腦里各種各樣的細胞的分子信息，不僅實現(xiàn)了卡哈爾百年前的繪制腦圖譜的夙愿，而且遠不止了解每種細胞長什么樣（形態(tài)學(xué)），更是理解其分子特征、電生理特征、與其它細胞的連接特征等。

而后，腦科學(xué)家通常會綜合利用高速發(fā)展的多種生物技術(shù)，比如轉(zhuǎn)基因動物和人腦類器官等動物實驗?zāi)Ｐ汀⒒蚓庉嫷仁侄危源_立導(dǎo)致特定大腦表征的基因，并針對特定腦疾病開發(fā)診斷和治療方法。

澎湃科技：除了人腦之外，很多研究還進行了人腦和其它靈長類動物腦細胞的對比研究，也研究了嚙齒類。這些對比研究的意義主要在哪里？

周毅：人腦——包括其結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育形成，以及腦功能的執(zhí)行，是十分復(fù)雜的，在時間和空間層面都受到精密調(diào)控，一旦調(diào)控出了問題，就會產(chǎn)生腦疾病。而我們對這些問題的具體機制知之甚少。動物和人的大腦在進化上既有許多保守的規(guī)律特征，人腦也具有大量動物腦所不具備的創(chuàng)新特性，使人類能夠進行高級活動，比如能夠進行復(fù)雜思考、能夠語言交流等，奠定了人類在大自然動物界中的獨特性。

進化為研究不同物種間的差異性的腦發(fā)育和腦功能的遺傳調(diào)控提供了天然的視角。跨物種研究，即研究不同物種間的差異，可以揭示人腦中關(guān)鍵且特異的基因或調(diào)控因子，并且現(xiàn)在單細胞分辨率的研究能精確到特定的細胞類型和生命周期。這樣的研究，能夠為解答“為什么人之所以為人”這樣的終極問題提供線索。

澎湃科技：其中大部分研究通過單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及表觀基因組學(xué)分析人腦和動物大腦。能否簡單介紹一下這些方法？

周毅：單細胞測序分析是一個很年輕的技術(shù)，2009年才出爐。一般而言，一項新技術(shù)的應(yīng)用需要經(jīng)過幾次迭代，以求把技術(shù)平臺發(fā)展得穩(wěn)定一些，比如使實驗結(jié)果的可重復(fù)性提高、錯誤率降低、使平臺搭建的難度降低、使價格更合理等，而后才可能有效助力我們解析重要的生物學(xué)原理和醫(yī)學(xué)科學(xué)問題。而經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前，單細胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組測序分析這一技術(shù)已經(jīng)相對成熟可靠，能夠用來解析大腦的細胞多樣性。技術(shù)人員更是基于單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)展出多組學(xué)的測序分析方法（比如：能夠在同一細胞中同時檢測轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組學(xué)，比如保留了空間信息的單細胞組學(xué)等），使我們有機會在不久的將來，在同一細胞中獲取多種組學(xué)多個維度的分子信息。

腦細胞普查：給腦細胞發(fā)“身份證”

澎湃科技：這次的一系列研究成果來自于2017年成立的美國腦科學(xué)計劃（Brain Initiative）-細胞普查聯(lián)盟（Cell Census Network，BICCN），能否介紹一下這項工作的學(xué)術(shù)背景和意義？“腦圖譜”是具體是一種什么樣的圖譜？這項工作的主要難點在哪里？

周毅：腦細胞普查項目是希望通過開發(fā)和應(yīng)用前沿技術(shù)，對人、非人靈長類動物（比如：獼猴）和小鼠大腦里的細胞類型進行識別和分類，相當(dāng)于在大腦中對每個腦細胞進行“人口普查”，給每個細胞發(fā)一張身份證。而后根據(jù)普查結(jié)果，可以有針對性地對重要的特定細胞類型進一步深入研究。

這樣的普查可以幫助我們繪制腦細胞的“圖譜”，不僅能幫助我們了解大腦是由哪些細胞組成、它們分別有什么分子特性、分布在哪里、是怎么連接的，也可以了解人腦為什么和動物的不一樣，還可以指導(dǎo)我們分析大腦在疾病狀態(tài)下哪些細胞的哪些基因出了什么問題，為診斷和治療提供基礎(chǔ)。

過去，實現(xiàn)這個設(shè)想的主要難點是由于技術(shù)上精度不夠，無法在單細胞的分辨率“看”清楚細胞里表達的基因。而近十幾年來，分子檢測技術(shù)越來越成熟，尤其是有一種叫做“單細胞測序分析”的方法（包括了比如：單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀基因組學(xué)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等），能夠使我們以極高的單個細胞的分辨率觀察大腦細胞的基因信息，并且由依托機器學(xué)習(xí)等先進的生物信息學(xué)算法，幫助我們整合細胞的分子、形態(tài)學(xué)、生理學(xué)和解剖學(xué)等信息和特征，最終使單細胞水平繪制腦細胞圖譜成為可能。

澎湃科技：請問這次研究的成果大概屬于哪個階段？后面預(yù)期還會有什么樣的成果？距離腦圖譜測定完成還有多遠？

周毅：這一批腦細胞普查的論文發(fā)表是一項階段性成果。后續(xù)將基于這些成果進一步繪制腦細胞、腦連接圖譜，并同時開發(fā)新的技術(shù)手段，大致朝著以下這幾個方向發(fā)展：

1. 更側(cè)重于繪制人腦的圖譜，整合多種數(shù)據(jù)模態(tài)，并特別關(guān)注腦疾病。目前第一階段的腦細胞普查主要針對小鼠動物模型和健康人腦的部分腦區(qū)（比如腦皮層）進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序分析，這相當(dāng)于建立了基準(zhǔn)線，知道正常生理情況下是怎么樣的，可用以分析對比生病了的大腦有怎么樣的改變。

接下來的2.0版本的項目，在測序?qū)ο笊蠒鼈?cè)重人腦和靈長類腦（相比小鼠與人更相似）；在測序方法上注重將多種數(shù)據(jù)模態(tài)結(jié)合（轉(zhuǎn)錄組、表觀轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、形態(tài)、電生理等）；更重要的是，將著重對疾病腦進行測序分析。

2. 探索腦環(huán)路是怎樣連接的，腦功能是怎樣形成的，開發(fā)精確靶向特定細胞類型的工具。第一階段的腦細胞圖譜主要是細胞分子的普查，而下一階段將對大腦的神經(jīng)環(huán)路如何連接進行探索。這包括繪制腦連接圖譜，開發(fā)新的病毒追蹤、顯微成像等研究工具，開發(fā)實時而高通量的追蹤神經(jīng)元活動的方法，開發(fā)新的計算生物學(xué)分析算法等。

3. 建立基因型和表型、腦活動和人類行為之間關(guān)系的因果性，并以此開發(fā)腦疾病的新診療方法。第一階段的腦細胞圖譜提供了高通量的、豐富的數(shù)據(jù)庫，如同寶藏一樣，值得深入數(shù)據(jù)挖掘。針對特定細胞類型和潛在靶點，科學(xué)家們通過在動物模型和人源細胞（比如類腦器官）模型中進行比如基因編輯這樣的精確干預(yù)，進行反向遺傳學(xué)研究，切實建立基因型和表型間的因果關(guān)系，揭示腦發(fā)育、腦連接、腦疾病的機制。隨著我們對這樣的調(diào)控機制的深入認(rèn)識，在不久的將來能夠“量變引起質(zhì)變”引發(fā)腦科學(xué)研究范式的重大改變，最終促使腦疾病診療手段的發(fā)展。

澎湃科技：我國在2016年將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“國家重大科技創(chuàng)新和工程項目”；2021年公布《科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》。我國的腦科學(xué)計劃與美國腦計劃有何異同？

周毅：我國所開展的腦科學(xué)計劃其實涵蓋了美國腦計劃第一和第二階段的內(nèi)容。不僅有不同年齡、物種、疾病狀態(tài)下的單細胞水平腦細胞圖譜的繪制，也有不同大腦區(qū)域腦連接的圖譜繪制和腦功能的神經(jīng)機制研究，還有新型的圖譜研究和神經(jīng)活動記錄和調(diào)控的技術(shù)平臺的開發(fā)。更是涵蓋了美國腦計劃所沒有強調(diào)的類腦計算與腦機智能技術(shù)及應(yīng)用。

來源：澎湃新聞

作者：季敬杰