结合解剖图和对神经元活动的详细研究 揭示了脑细胞在控制运动中的作用

老鼠大脑包含大约8000万个神经元，所有这些神经元都挤在一个榛子大小的空间内。这些细胞有各种形状和大小，它们之间至少有数十亿个连接。

大脑依靠这个回路来解释关于世界的信息，从经验中学习并控制运动。神经细胞在这个狭窄的空间里混合在一起，形成了一个错综复杂的网络——这使得科学家很难理解哪些细胞负责哪些任务。现在，在2018年10月31日发表在《自然》杂志上的两篇论文中，霍华德休斯医学研究所和艾伦脑科学研究所的Janelia研究园的研究人员研究了两种类型的混合神经细胞如何分配劳动力来规划和发起行动。通过整合对神经元的形状、基因活动和功能的逐细胞分析，该团队已经找出了哪些脑细胞负责这些独特但密切相关的任务。

Janelia集团的负责人Karel Svoboda表示，将如此广泛的分析结合起来是一项重大的技术壮举。他说，这是理解大脑功能的新方法。这项工作需要来自几个研究所的科学家团队合作解决一个问题。斯沃博达认为，这种方法对于帮助研究人员解决神经科学中最复杂的问题是必要的。“大脑研究的重大进展将越来越依赖于这些类型的合作，”他说。

画一个新的神经场

在世界各地，研究人员已经着手构建一个全面的神经描记器，以揭示大脑的真相。神经科学家正在从许多不同的角度探索大脑的精细网络，绘制细胞结构、分子特征和神经活动。Swoboda表示，将这些不同的信息结合起来，以获得关于大脑功能的见解，仍然是一个巨大的挑战。

在Janelia，一项长期绘图工作涉及神经元解剖。MouseLight项目团队的科学家们一直在确定小鼠大脑中神经元的精确结构——这是一项艰巨的任务，包括在数千张大脑图像中仔细追踪单个神经元的细长路径。艾伦研究所的补充工作是绘制细胞的基因表达图，揭示细胞之间的关键异同，并提供细胞功能的线索。在这项新工作中，Janelia的科学家Mike Economo、Sarada Viswanathan、Loren Looger、Svoboda及其同事与艾伦研究所的科学家合作，创建了小鼠新皮层细胞的完整基因表达谱。新皮层是哺乳动物大脑中负责高级认知功能的最大部分。该团队专注于前运动皮层(ALM)，这是一个涉及规划和执行运动的区域。

斯沃博达表示，Janelia和艾伦研究所团队已经合作多年。他的实验室致力于描述ALM神经元如何编码信息和控制运动。艾伦研究所的科学家使用新的单细胞RNA测序技术来分析单个ALM神经元的分子组成。艾伦研究所的Bosiljka Tasic，Hongkui Zeng和他的同事们确定了一种全新的RNA分子-转录组-存在于新大脑皮层的23，822个神经元中。这产生了每个细胞中基因开启的完整图像——平均每个细胞约9000个基因。在一个庞大的数据集中，研究人员确定了130多组共享转录组的细胞。

角色定义

接下来，研究小组将他们的分子发现与通过Janelia的MouseLight项目获得的结构信息联系起来。科学家们专注于ALM中的大型神经元，这些神经元将信息从大脑皮层带走。在这种神经元亚群中，由它们的转录组定义的两组细胞也共享解剖学特征。研究小组发现，它们通往大脑其他部分的路径完全不同。一组与脑干相连，引导身体运动的运动神经元位于脑干。第二组与丘脑相连，丘脑是大脑中的一个中央开关。一般来说，这些细胞引起了神经科学家的关注，因为它们特别容易受到神经退行性疾病的影响。“但实际上，没有人意识到这些神经元有不同的味道，可能扮演不同的角色，”斯沃博达实验室的博士后研究员Economo说。

为了理清这些角色，Economo操纵并测量了每一类细胞的活动，因为老鼠执行一项简单的任务——在特定的时间向特定的方向移动。实验表明，一组神经元，即连接ALM和丘脑的神经元，对于规划未来的运动至关重要。另一组神经元，即连接ALM和脑干的神经元，需要开始运动。简单地说，这两种类型的神经元分为两类，具有不同的行为，斯沃博达说。"这些细胞类型将不同的信息带到不同的大脑区域，以产生不同的功能."

他说，通过整合多个数据流，该团队可以为复杂的电路问题带来清晰度。“科学家总能找到将细胞分成几组的方法，”Tasic补充道，但在这种情况下，这些研究小组清楚地描述了每种细胞类型在塑造运动中的作用。这是选择皮层复杂度的关键一步。

Svoboda说，由于视觉皮层和ALM中的分子所定义的100多种细胞类型的功能仍有待探索，科学家们仍有许多复杂问题要解决。不过，他补充说，随着新研究工具的发展和大规模绘图工作的加速，这种类型的神经解码将很快兴起。

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