《电子技术应用》

改变神经科学的MAPseq,到底怎么做到的?

2018/4/13 22:37:00

  据国外媒体报道,冷泉港实验室研究人员开发出了一种名为MAPseq(基于测序技术的多路分析)技术的新方法,可以对大脑皮层的神经元以及彼此之间的复杂联系进行精确映射,绘制出能够用于各种神经学研究的精确脑图。这或将推动神经科学的飞速发展。

  神经学家托尼·扎多尔(Tony Zador)坐在他位于冷泉港实验室的院区办公室内,将桌上的电脑显示器转向我,展示一个复杂的矩阵图。这看起来像是不同颜色和渐变图案组成的矩阵图。扎多尔漫不经心地说道:“当我告诉人们我找到了成千上万个神经元连接,并向他们展示这个的时候,他们只是会说‘呃?’但是当我向人们展示这个时......”,他点击屏幕上的一个按钮,显示器上出现了一个透明大脑的三维模型,沿着中轴线不断旋转,其间充满不计其数的节点和线条。 “他们立马会说‘那是什么!'”。

  扎多尔向我展示的是关于小鼠大脑皮层的50,000个神经元连接图。它清楚地表明每个神经元的细胞体所处的位置,它们的神经元突触向哪里延伸。此前从未有人绘制出这种尺寸和细节的神经映射。扎多尔放弃了使用荧光标记神经元的传统脑图映射方法,转而采用了一种不寻常的方法,这种方法有效利用了长岛冷泉港分子生物学研究的成果。他利用一些基因组信息将一个独特的RNA序列或“条形码”注入到每个单独的神经元中,然后像切蛋糕一样切成块状的立方体,最后将这些细微的碎片放入DNA测序仪进行分析。结果是以单个神经元细胞的分辨率水平上绘制了小鼠大脑皮层中50,000个神经元的三维渲染模型。

  这件作品堪称扎多尔的巨作,目前仍在完善中。但是最近在发表在在著名科学杂志《自然》上的一篇论文中,扎多尔和他的同事们表明,这种称为MAPseq(基于测序技术的多路分析)的技术可以用来发现新的细胞类型和前所未有的映射模式。该论文还表明,与传统的荧光技术相比,这种新的高通量映射方法在精确度上有很强的竞争力。据悉,荧光技术的是目前关于绘制脑图的黄金标准,但只是在分析少量神经元上的效果最佳。

  这个项目是作为一名神经生理学家的扎多尔在“日常工作”期间遇到的难题中诞生的。扎多尔研究啮齿类动物的听觉决策:它们的大脑如何听到声音,处理音频信息并决定相应的行为方式。电生理记录以及解决这些问题的其他传统工具使得扎多尔这位有数学专长科学家并不满意其结果。扎多尔认为,根本问题在于我们对神经元回路的了解不够,这就是他追求“第二份工作”,创造大脑成像工具的原因。

  脑图映射技术的最新进展是由艾伦脑图谱(Allen brain Atlas)所体现的。通过多个实验室历经多年的研究,艾伦脑图谱开发费用高达2500万美元。艾伦·阿特拉斯(Allen Atlas)是一种被称为“大容量连接图谱”(bulk connectivity Atlas)的小鼠脑图,因为它可以追踪已知的神经元亚群,同时也可以预测特定群体神经元的行为。它对研究人员非常有用,但它不能区分不同群体或神经元亚群间的细微差别。

  如果我们想知道小鼠是如何听到尖锐的高音,并且清楚了解其大脑皮层如何做出应激反应以及存储记忆的话,那么我们就需要有一张关于小鼠大脑皮层神经元的清晰图谱。在扎多尔看来,正是因为我们缺乏对神经回路的清晰认识,从而部分上导致了人们治疗精神疾病方面没有什么太多的进展,还有人工智能并不是那么聪明。

  斯坦福大学神经科学家斯图斯·凯布舒尔(JustusKebschull)是论文的作者之一,也曾是扎多尔实验室的一名研究生。他表示,在不了解神经元回路的情况下研究神经科学就像“试图从外部观察计算机是如何运行的,插上一个电极就试图搞清楚一切......如果我们根本不知道硬盘驱动器连接到处理器,或者USB接口为整个系统提供输入,那么就很难理解计算机中所发生的事情。“

  扎多尔关于MAPseq的灵感来自于另一种名为Brainbow的脑图技术。后者在哈佛大学Jeff Lichtman实验室中应用成效明显,它使用不同的荧光染料组合同时对200个单一神经元进行遗传标记,结果是形成了一个引人入胜,五彩缤纷的神经元连接画面,详细展示了轴突和神经元细胞体的复杂连接。这项开创性的研究给神经科学家以希望,认为建立大脑神经元完整连接的愿望很快就会成为现实。不幸的是,实践中技术的局限性在于,研究人员通过显微镜只能分辨出大约五到十种不同的颜色,这不足以涵盖大脑皮层中的多个神经元连接,从而一劳永逸地解决多种神经元的映射难题。

  然而扎多尔头脑中出现了不同的想法。他意识到,如果研究人员能够利用高通量基因组测序技术不断进步的速度和日益缩减的成本,那么关于神经元连接复杂性的挑战就会被人们克服。 “这就是数学家所谓的将问题简化到能够解决的程度。”他解释说。

  在MAPseq技术中,研究人员给实验小鼠注射携带各种已知RNA序列或“条形码”的基因改造病毒。在一周或更长时间内,病毒会在动物体内繁殖,使每个神经元都有一些关于这些RNA序列的独特组合。当研究人员把大脑切成小块时,RNA序列可以帮助他们追踪切片中的单个神经元。

  Zador的实验室和伦敦大学学院神经科学家Thomas Mrsic-Flogel领导的一个团队首先使用MAPseq技术追踪鼠类视觉系统中近600个神经元的映射。与老鼠大脑中的数千万个神经元相比,600个神经元是一个合适的开端。但是研究人员想到的实验目的和理由是充足的:他们正在寻找大脑连线模式中是否存在可能对其功能有用的信息结构。目前流行的理论是,在掌管视觉的大脑皮层中,单个神经元会从诸如眼睛等器官收集特定信息——比如关于视场中物体的边缘,或者是物体的运动方向。然后神经元将信号发送到大脑中专门处理该类信息的单个对应区域。

5acc0919e1008-thumb.gif

  为了验证这一理论,该小组首先通过将遗传编码的荧光染料插入单个细胞中,以传统方式映射了小鼠大脑皮层中的少量神经元。然后,他们用显微镜追踪这些神经元细胞是如何从主要视觉皮层(接受眼睛输入的大脑区域)延伸到大脑其他地方的。他们发现神经元的轴突延展开来,并同时向许多区域发送信息,从而推翻了神经元一对一映射理论。

5acc092782e1b-thumb.gif

  接下来,他们开始研究这些映射是否有规律可循。他们使用MAPseq技术来追踪591个神经元的映射,发现这些神经元延展开来并支配多个目神经元。该研究团队观察到轴突的分布是有规律的:例如,一些神经元总是将轴突延伸到区域A,B和C,但从未到达D和E.

5acc092452cd9-thumb.gif

  这些结果表明,视觉系统包含令人眼花缭乱的交叉连接,并且这些连接的模式比一对一映射更为复杂。凯布舒尔指出,“更高级的视觉区域不只是获得专门为它们量身定制的信息,”相反,它们会共享许多相同的输入信息,“所以它们对信息的处理可能会相互关联。”

  然而,某些神经元轴突向特定区域延伸的事实也意味着在视觉皮层内存在一些尚未被识别的特殊神经元细胞。凯布舒尔说这张脑图就像是一张蓝图,可以让后来的研究人员了解这些细胞在做什么。 “MAPseq技术允许你映射出硬件连接 ......一旦我们了解了硬件,我们就可以开始研究软件,或者研究计算如何进行,”他说。

  MAPseq在映射脑图方面的速度和成本具有客观的竞争优势:根据扎多尔的说法,这项技术能够在一到两周的时间内处理10万个神经元,且只需花费1万美元。这要远远快于传统的映射方法,成本也是后者的一小部分。

  这样的优势将使得映射和比较大脑神经回路更加可行。目前对精神分裂症以及自闭症的研究表明其与大脑中神经元连接不同有关。但由于现有的工具不能捕捉足够的神经连接细节,让研究人员无从下手。可以想象,在MAPseq技术的帮助下,研究人员能够绘制出关于小鼠的脑图,并将其与有各种典型精神类疾病的脑图进行比对研究。艾伦脑科学研究所结构科学部门执行主任曾鸿奎 (Hongkui Zeng)表示:“很多精神疾病都是由神经元回路层面的问题引起的。而关于神经元的连接信息会告诉你的研究重点在哪里。”

  这种高通量的映射方式还可以让科学家收集大量神经学数据,并寻找反映大脑工作原理的模型。 索尔克研究所(Salk Institute)分子神经生物学家Sreekanth Chalasani说:“托尼所做的就是以一种客观方式来观察大脑。正如人类基因组图谱为测试基因学假说以及寻找基因序列和相应功能提供了基础架构,托尼的方法也为“大脑结构研究”产生了同样的影响。

  人类基因组图谱目前还无法完全解释生物学方面的所有奥秘,但它确实在分子层面上研究生物学开辟了新的道路。同样,在目前的开发状态下,MAPseq还无法提供任何所标记神经元的功能以及位置信息,也无法显示哪些神经元在相互交流。但是扎多尔计划尽快添加此类功能。他还与研究大脑各个部分的科学家合作进行研究。

  “我认为,我们完全可以从连通性中获得见解。但就像基因组本身也很枯燥,但却为生物学带来了变革。这就是我很兴奋的原因,”扎多尔说,“我希望它能为该领域的下一代工作打下基础。”


继续阅读>>