發布日期：2016-08-29

編者按：今年7月底，《自然》雜志發布了有史以來最詳細的人腦地圖，但這只是對大腦進行“分區”，距離“細胞層面”的精度還相去甚遠。 人類大腦的更多秘密，可能還藏在那大約850億個神經元細胞以及它們之間約15萬億個連接之中。8月16日的《Neuron》雜志上發布了一項名為MAP-seq的新技術，該技術可利用RNA“條形碼”高速低價地記錄腦細胞間的連接。 在這項技術的幫助下，科學家們將有可能解開人腦神經元的連接方式之謎。這不僅可以讓我們進一步深入了解人體本身，同時在對現在熱門的神經網絡構架具有極大的指導作用，或許可以讓深度神經網絡的性能在短期內實現質的提升。 人類的大腦是這個宇宙中最未知的領域之一。正如探索每一塊神秘的土地一樣，一幅品質優良的地圖往往至關重要。 就此，大腦的探索者——神經科學家們已經邁出了一大步。他們的最終目標是用極少的基因材料來標注大腦中的每個神經細胞，然后繪制這些神經細胞如何互相連接的地圖。這項技術被稱作MAP-seq，將幫助研究者以從未有過的細致程度研究自閉癥和精神分裂癥等疾病。

安東尼·扎得（Anthony Zador）是冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory）的一名神經科學家，同時也是這項技術的發明者。他說道：“我們已經掌握了這一全新科技的理論基礎，它會有許多不同的應用。” “我認為這項技術的發展空間很大，”，冷泉港實驗室未參與此研究的一名分子生物學家李奇赫（Je Hyuk Lee）說道。 然而，安東尼的技術并不是前無古人，繪制大腦神經連接圖譜（brain’s connectome）的努力由來以久。目前，科學家們一般依賴熒光蛋白和顯微鏡對神經細胞進行顯像，但這種技術非常費事且很難同時追蹤多個神經細胞的連接情況。

安東尼·扎得，一名開發出了新的大腦圖譜繪制方法的神經科學家。 作為可能帶來業界革新的新技術，MAP-seq的第一步是創建一個以病毒為載體的隨機RNA序列庫。 然后，這些RNA序列混合物被注入大腦，其數量大約以注射部位的每個神經細胞能分得一個RNA序列為準。 這樣，每個神經細胞就有屬于它自己獨特的RNA“條形碼”了。

接著，神經細胞被標碼的大腦將被進一步切片、切丁，按序排好，等待處理。 DNA測序機讀取這些RNA條形碼后，研究人員就能建立顯示單個神經元如何同大腦其他部分相連的矩陣了。 這項研究發表在了上周四的《Neuron》雜志上。它描繪了一幅位于大腦藍斑核（locuscoeruleus）部位的蔓延開去的神經連接圖，包括1000個老鼠的神經細胞。這幅圖證明了扎得的MAP-seq技術的可行性。對此，扎得表示，先前這些神經細胞的連接方式一直存在爭議，而他們的結果實際上還化解了那部分相互矛盾的研究發現。 加斯圖斯·凱布舒爾（Justus Kebschull）同扎得一起研發了MAP-seq，他說，這項技術正在變得更好。“我們現在可以同時繪制10萬個神經細胞的連接圖，一個星期、一個試驗就能完成。這在從前是完全不可思議的，除非你投入極大的工作量。”

事實上，每個普通人身上大概有上百個基因突變會在大腦發育的過程中引起神經網絡連接方式的細微改變。為了弄清楚這些細微改變是否造成了大腦連接的功能性障礙，并進而了自閉癥和精神分裂癥等疾病，科學家們以老鼠為模型進行了試驗。 “我們正在老鼠模型中探索基因突變會把哪些地方的連接弄糟。既然現在這個技術如此高效，我們就能同時研究多個基因突變的影響了，”凱布舒爾說道。而攜帶不同的候選自閉癥基因的老鼠，腦回路也可能不同，通過比較這些腦回路，研究人員希望能對大腦連接和神經疾病的關系有新的認識。 盡管其他團隊也用過類似的編碼技術研究細胞間的個體差異，扎得表示，目前他的實驗室是唯一在給大腦標記條形碼的研究團隊，但他希望其他人也能開始使用MAP-seq記錄各種腦回路。他說：“因為測序成本持續降低，很快我們就能高速低價地進行這項研究了。” 也許很快，第一張大腦的完整地圖就能夠為其首位探索者所使用了。 無疑，腦神經元間的連接方式的秘密一旦解開，除了有助于在某些神經疾病的治療上取得突破外，還會對廣泛應用于人工智能的深度神經網絡的構架提供巨大的指導作用，從而大力推動人工智能的發展。

來源：DeepTech深科技