本周，《自然》雜志發表了艾倫腦科學研究所（Allen Institute for Brain Science）的一項新研究，首次以超高分辨率描繪了人類大腦最詳細的“零件清單”，并對比了人類和小鼠大腦細胞類型差異。
研究人員使用單核 RNA 測序技術，鑒定出了人類大腦皮層顳中回內域中 75 種不同細胞類型，通過與小鼠的類似腦區進行比較，研究人員發現了二者在結構和細胞類型方面的相似性——不過也有很多差異。這強調了在研究模式生物之外，直接研究人腦的重要性。
這種對大腦細胞類型的超詳細辨識，為提高我們對自己大腦的認識奠定了基礎，并極大地改變了治療人類大腦疾病的方式。
小鼠和人類腦細胞類型的最新比較，為科學家們打開了一扇大門，他們可以將幾十年來嚙齒類動物神經科學研究中獲得的知識推斷到人類大腦研究中。細胞類型的差異也突出了人類和嚙齒動物之間的關鍵不同，這可以解釋為什么在小鼠研究中開發的那么多神經疾病藥物對人類不起作用。
“了解人類大腦的各個組成部分十分關鍵。這個清單讓我們能夠了解小鼠和人類之間的不同之處和相似之處。這種理解的最終影響，將為神經系統疾病提供更好的治療。”美國國家心理健康研究所所長 Joshua Gordon 博士說，“最終的目標將是揭示出完整的人腦零件清單。這是一個雄心勃勃的目標，但這篇論文向我們表明，這是一項可行的事業。”
人類與小鼠的大腦細胞類型具有對應關系
要做一道新菜，廚師必須選擇食材并將它們組合，以實現不同的口味和質地。同樣，成千上萬個基因的不同表達組合創造并維持了大腦中每種細胞的多種多樣的“味道”。
大腦中神經元細胞類型的分類是神經科學的一個長期目標，可以追溯到20世紀早期的解剖學家。僅在大腦皮層，數十億的神經元被組織成六個片狀的層，分布在幾十個解剖上不同的區域。考慮到單個神經元之間的差異來源很多，在一個共同的分類下對腦細胞進行系統的注釋是一個巨大的挑戰。
以往的研究通過測量大腦不同區域的基因表達，以及利用生物信息學分析來識別主要細胞類別的分子特征，從而深入了解大腦的分子結構。如今，這些方法已經通過單細胞基因測序技術得到了擴展，但想要人類大腦分離完整的細胞組織，在技術上仍具有挑戰性，而且很多細胞會在分離過程中丟失。
在這篇最新研究論文中，艾倫研究所的研究團隊通過對從死后或手術中獲得的人腦樣本中分離出的單個細胞，進行 RNA 轉錄水平的分析，克服了這個問題。
圖 | 艾倫研究所的科學家 Rebecca Hodge 檢查一塊人類大腦（來源：Allen Institute）
研究人員通過對在特定細胞中基因表達的分析，對來自人類內側顳回（大腦顳葉的一部分）的近 16,000 個細胞進行分類。這項研究依賴于將大腦捐獻給科學研究的尸檢組織，以及接受腦部手術的癲癇患者被切除的組織。
通過對轉錄組數據進行統計分析，將單個數據點（每個點代表一個細胞）分組成與細胞表達的 RNA 轉錄類型相對應的簇，研究人員發現了人腦顳中回內存在 75 種不同的細胞類型，包括 6 種非神經元細胞、24 種興奮性細胞和 45 種抑制性細胞。
根據大腦細胞的一般功能（興奮性、抑制性或非神經元性）、解剖位置、主要類群和特定細胞類型的基因表達特征，每種細胞類型都有四個部分的名稱。
這個系統的命名法整合了多種信息模式，這些信息模式在歷史上曾被用來對神經元細胞類型進行分類。神經元所處的皮質層，傳統上被認為是神經元同一性的一個基本特征，因此層狀位置的分子標記以前被用來研究皮層組織。皮質層是在發育過程中按順序生成的，因此每個神經元的出生日期可以預測其最終的層疊位置。為了確定細胞的層疊位置對細胞類型的預測程度，在這項研究中研究人員記錄了每個細胞的起源層，并研究了這是否與基因表達定義的細胞類型分類有關。
分析結果顯示，在某些細胞類型中，某些基因的表達與精確的層位有關。然而，研究人員發現在人類身上幾乎所有類型的興奮性神經元都位于不止一層，這一發現通過對完整組織樣本中細胞類型特異性 RNA 轉錄本的熒光標記得到驗證。而這些研究發現挑戰了長期以來關于大腦皮層神經元細胞類型的離散層狀組織的觀點。
圖 | 在這幅圖中，我們看到了人類和小鼠大腦皮層中抑制神經元的比例（來源：Allen Institute）
除了提供關于細胞類型和組織的見解外，單細胞分析還使我們能夠洞察細胞類型的進化保守。研究人員通過分析從人類和小鼠大腦皮層收集的單細胞基因表達數據集，并再次使用聚類分析來識別匹配細胞類型。用這種方法，研究人員確定了幾乎所有在人類大腦皮層中識別的 75 種細胞類型，都顯示出與小鼠大腦細胞類型的對應關系（同源性）。
同時，研究人員也發現，皮層 I-IV 層神經元的多樣性在人類皮層中比在小鼠皮層中更豐富，而 I-IV 層神經元被認為負責靈長類特有的許多認知方面功能。此外，研究人員還注意到，在同源細胞類型中，某些基因在物種之間的表達是高度可變的。比如，小膠質細胞是大腦的免疫細胞，在人類和小鼠的基因表達上表現出最大的差異，這表明小膠質細胞在神經免疫紊亂中的作用可能在物種間存在很大差異。
我們比小鼠更復雜嗎?以面積和神經元數量計算，人類大腦皮層是小鼠的 1000 多倍。但在這項最新研究中，研究人員采用小鼠單細胞 RNA 測序數據集做了人鼠大腦皮層對比，研究中發現的 75 種人類腦細胞類型在小鼠大腦中都存在著對應，這一發現與人類基因組計劃（human Genome Project）在近 20 年前揭示的人類和小鼠擁有幾乎相同數量的基因相似。
研究論文通訊作者、艾倫腦科學研究所的研究員 Ed Lein 博士說:“許多人認為人腦比老鼠的大腦復雜。令人驚訝的是，至少在細胞多樣性方面，情況并非如此。但是現在我們有了一種方法來進行真正的比較，我們開始看到基因的表達方式、細胞的樣子以及不同細胞類型在大腦中的比例有很多不同。”
“最重要的是，我們的大腦和小鼠的大腦既有很大的相似之處，也有很大的不同之處，”該研究的作者之一、艾倫腦科學研究所所長、首席科學家 Christof Koch 博士說，“這一方面就告訴我們，我們的進化具有巨大的連續性，而另一方面則告訴我們，我們是獨一無二的。如果你想治愈人類大腦疾病，你必須了解人類大腦的獨特性。”
圖 | 人類和小鼠對應的大腦細胞類型具有不同的特性，盡管大多數基因在兩個物種中表達水平相似（黑點），但許多基因在人類（紅點）或小鼠（藍點）中表達得更高。
除了小膠質細胞的差異，研究人員還發現了人鼠對應細胞類型之間在基因表達水平方面更多的差異。比如，血清素受體是這兩個物種之間差異第二大的基因家族。作者認為，這可能對使用小鼠模型來研究涉及血清素信號傳導的神經精神疾病的做法構成挑戰。
血清素受體是一種蛋白質，它能讓我們的神經元對神經遞質血清素做出反應，并在食欲、情緒、記憶力、睡眠和許多其他重要的大腦功能中起著主導作用。人類和小鼠不同類型神經元中血清素受體表達的不同，可以解釋為什么臨床研究人員很難開發出治療抑郁癥和其他與血清素相關疾病的新療法：一種作用于血清素受體的藥物對小鼠的影響可能與對人類的影響非常不同。
該研究促進了我們對大腦皮層細胞組成的理解，并揭示了人類和小鼠大腦中區域組織結構之間此前未被識別的差異。更重要的是，這項研究展示了一種新的研究方法，
有一天可以在許多物種之間對細胞類型同源性進行徹底的比較。
