按細胞類型組裝大腦接線圖——START法

一項新技術可以同時識別小鼠大腦中的神經元類型并繪制出它們之間的連接圖。研究人員說，該工具結合了神經元追蹤和單細胞測序，可以幫助揭示細胞的身份如何影響皮質功能。

這種方法被稱為START，即“狂犬病毒輔助單轉錄組追蹤（single transcriptome assisted rabies tracing）”，它根據細胞的基因表達將細胞分組，并追蹤它們之間的聯系。研究表明，如果一個群體表現出不同的連接模式，那么它很可能代表了一個不同的亞型。通過將該工具應用于小鼠視覺皮層，研究小組確定了抑制神經元的幾個亞組之間的聯系，并發現了可能在人類中保守的相互作用。

斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）神經科學副教授Xin Jin表示：“這不僅代表了技術上的突破，而且為思考是什么決定了細胞類型提供了一個新的框架?！彼麤]有參與這項研究。

索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）系統生物學教授、研究人員Edward Callaway說，START的發現可以用來產生關于皮層回路如何工作的假設。他說：“要了解任何復雜系統的工作原理，你需要一個零件清單和一個顯示這些零件如何協同工作的接線圖。”

過去由Callaway和其他研究人員領導的研究，代表大腦倡議細胞普查網絡，產生了零件清單。利用單細胞轉錄組學與其他技術相結合，該聯盟確定了小鼠大腦中約5000種神經元亞型?，F在Callaway和他的同事們正在研究這些單個細胞類型的接線圖。

在這種情況下，該小組將轉錄組學與狂犬病追蹤相結合，這也是Callaway團隊開發的一種方法。通過用一種改良的狂犬病毒感染神經元，這種病毒只能在突觸連接的細胞之間跳躍，研究人員可以追蹤選定神經元的直接連接。

他們使用這種技術來追蹤抑制性神經元，因為它們的短程連接可以在單個400立方微米的組織樣本中檢測到。更重要的是，抑制性神經元的多樣性令人難以置信，即使在屬于同一細胞類型的神經元之間，這種個性也使得將抑制性神經元與某些大腦功能相匹配變得棘手。這不僅代表了技術上的突破，而且為思考是什么決定了細胞類型提供了一個新的框架。

研究小組追蹤了小鼠視覺皮層中抑制性神經元與興奮性細胞的相互作用，然后對35000多個神經元的細胞核進行了測序。他們根據基因表達的相似性確定了大約50種抑制性神經元亞型。通過追蹤先前描述的視覺皮層回路，如皮層第五層內已知的相互作用，驗證了這項技術。但是當他們將細胞分成轉錄組亞型時，他們發現了以前未知的聯系。

例如，血管活性腸肽(VIP)-表達神經元-先前已知抑制其他抑制性神經元-由兩組組成，要么尋求或避免與興奮性細胞連接。這些發現暗示VIP神經元的研究可能因為混合了多種功能相反的細胞類型而受到阻礙。

研究還發現，一種第六層興奮性神經元（已知投射到丘腦，調節對睡眠和記憶形成很重要的慢波節律）的大部分輸入來自一種罕見的表達生長抑素的神經元亞型Chodl細胞。雖然Chodl細胞只占生長抑素神經元的1%，但它們形成了與這些神經元的20%以上的連接。

這種優先的相互作用可能代表了一種跨物種保守的電路基序。Callaway的團隊下一步要做的是觀察視覺回路是否在小鼠大腦的其他皮層區域，以及腦腫瘤或癲癇手術后捐贈的人體組織中重復出現。研究結果發表在9月30日的《Neuron》雜志上，測序數據也可在GEO上公開獲取。這種方法有助于解決基于轉錄差異分配細胞類型身份的“一個主要爭議領域”。

此前，研究人員一直不確定不同的基因表達模式是否反映了神經元身份的差異，或者只是細胞通路的波動。但是Kriegstein說，觀察細胞是否有不同的連接模式使得區分細胞類型和細胞狀態成為可能。

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