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是什么使我们的大脑与其他动物的大脑不同? 这是关于人类大脑最有趣的问题之一，也是神经科学家最难回答的问题之一。 自西班牙神经解剖学家Santiago Ramón y Cajal用图画说明神经元让人得以行走、说话、思考和存在的方式，并因此获得诺贝尔奖后，时间已经过去了一个多世纪。在过去的一百多年里，现代神经科学并没有在如何区别一种神经元和另一种神经元的问题上取得很大进展。当然，显微镜越来越好了，但是脑细胞仍是主要通过两种劳动密集型的特点来定义的，即它们的外观以及它们如何放电。 ○ Santiago Ramón y Cajal为神经元绘制的解剖图。| 图片来源：Wikipedia 这就是为什么世界各地的神经科学家急于采取新的、更精巧的方式来表征神经元。测序技术可以揭示出有着完全相同DNA的细胞，是如何以独特的方式启动或关闭它们的基因的，并且这些方法逐渐揭示出，大脑是一个比Ramón y Cajal想象的更多样、充满了枝节与分支能量的森林。 发现新的脑细胞 在一篇刚发表于《自然-神经科学》杂志上论文中，一个国际研究小组向世人介绍了一种新的神经元，目前人们暂且认为这种神经元只存在于人类的大脑中。这些密集的细胞丛有着长长的神经纤维（被称为轴突），它们以一种独特的方式填满空间，就像是一朵凋落了花瓣的玫瑰，因此研究人员将其命名为“玫瑰果细胞（rosehip cell）”。正如论文中所描述的那样，新发现的神经元或许能利用它们独特的形状来控制信息在大脑不同区域间的流动。 美国艾伦脑科学研究所的Ed Lein是这项研究的主要作者之一，他说：“这些神经细胞对系统可以起到刹车的作用。”神经元有两种基本类型——兴奋性神经元和抑制性神经元，前者会将信息发送给相邻细胞，而后者则会减缓或者阻止兴奋性神经元放电。玫瑰果细胞属于后一种类型，而且从其生理结构看来，似乎是一种特别强大的电流阻碍物。 识别新细胞的两种实验路径 这一发现是团队努力的成果。Lein的研究小组从两个捐献的人类大脑中分离出冷冻的组织，他们采用的是大脑皮层最上层的切片，这是大脑最外层负责人类意识的区域，人类的大脑皮层面积与身体的比例远高于其他动物。这是大脑中最复杂的部分，有人甚至认为这是自然界最复杂的结构。 研究人员将单个神经元的细胞核分离到一个微量滴定板上，每一个孔中放一个。然后，他们对每个神经元内的RNA进行测序。如果说DNA就像是汽车的设计图纸，那么RNA就像是零件清单。通过使用聚类算法，研究人员识别出了几种独特的基因表达模式，并将它们与16种不同的细胞类型相匹配，其中11种为抑制性神经元，1种兴奋性神经元，以及4种非神经细胞。 在Lein的研究小组正耐心地将神经元摆放到微量滴定板的同时，他们在匈牙利塞格德大学Gábor Tamás实验室的合作伙伴则在分析从经历了脑部手术的患者身上提取的活体组织样本。通过使用传统的技术，比如用一种特殊染料填充细胞，观察细胞的形状，并记录细胞对不同的电流刺激会作何反应，Tamás的小组识别出了一组自由伸展且连接良好的神经元——它们的分子标记与Lein小组的一种细胞类型完美匹配。当他们试图在老鼠大脑的各种细胞内寻找类似的分子时，却空手而归。 几年前，Tamás在参观艾伦研究所时发现Lein的小组正与他研究同一种类型的人类脑细胞，但使用的却是不同的技术。他们意识到彼此是在以完全不同的角度观察同样的细胞类型，于是决定一起合作。艾伦研究所的资深科学家Rebecca Hodge介绍说：“单独来说，这些技术虽然都很强大，但只能给我们提供关于细胞行为的不完整图像。将二者结合，我们就能知道关于这些细胞的互补的信息，这或许能告诉我们细胞在人脑中是如何发挥作用的。“ 人类大脑中独一无二的细胞？ 玫瑰果细胞的独特之处在于，它们只会附着在其他细胞的特定部位，这表明，它们处于抑制神经兴奋传递的非常有利的位置，以一种特殊的方式控制信息流动。 Tamás说，如果把抑制性神经元看作是汽车的刹车系统，那么玫瑰果细胞会让汽车停止在非常特定的地点。例如，它们是只能让汽车在杂货店门口停下的刹车系统，这样特别的刹车系统可不是所有汽车（动物大脑）都有的。这种特殊的汽车（细胞类型）能够在特定的地点停止，而其他汽车（老鼠脑细胞）则不能。“ Lein补充说：“现在说这是一种独一无二的细胞类型还为时过早，因为我们还没有对其他物种进行检测。但是这无疑强调了一个事实，那就是我们需要慎重对待‘人类大脑不过是老鼠大脑的大尺度版本‘这样的假定。” Tamás说：“我们的很多器官可以用动物模型来模拟，但是将人类区别于其他动物的是我们大脑的能力和产出。这是人之所以成为人的原因。所以，人类是很难在动物系统中模拟的。” 这项研究还没有证明这种特殊的脑细胞是人类独有的。但是，老鼠大脑中并不存在这种细胞是件非常有趣的事。Tamás说，研究人员还不清楚这些细胞在人类大脑中有什么作用，但是它们在老鼠体内的缺失表明，想要在实验动物身上模拟人脑疾病是何等困难。Tamás小组下一步的工作，是在死亡的神经精神障碍患者的大脑标本中寻找玫瑰果神经元，以此来查看这种特殊的细胞在人类疾病中是否发生变化。 因为活体人脑组织是如此难以获得，因此大部分描绘神经元的电生理机能和连接性的工作都是在老鼠身上进行的。然而，转录组（transcriptome，特定细胞中基因表达产生的所有RNA或信使RNA的总和）的方法可以应用于冷冻组织。在世界各地的生物库中有很多这样的冷冻组织。 分类细胞的庞大计划 加州大学圣地亚哥分校的免疫学家Richard Scheuermann说：“未来五到十年左右时间里将发生的事情是，由于有着远高于传统方法的产出，转录组的方法将会迅速发展。所以我们会以细胞基因表达产生的RNA为基础来获得这个图谱，然后，当我们更加了解这些神经元的功能时，就可以将这些信息连接回去。” Scheuermann是最初提出所谓的细胞本体论（Cell Ontology）的构建者之一。细胞本体论为科学家如何表示不同细胞类型提供了一个参考，它不仅是一组通用的定义，还会捕捉细胞之间在时间、空间和功能上的关系。如今，科学家通过细胞启动和关闭的基因来定义细胞，他则在努力为这个新的时代创立一部细胞的百科全书。 这项运动超越了神经科学。2016年10月，全世界数以百计的科学家联合启动人类细胞图谱（Human Cell Atlas）项目。这是一个庞大的项目，其目标是编译人体内所有细胞的转录组数据，以理解细胞会如何结合成组织、如何彼此交流、如何衰老、以及如何发生病变。 Scheuermann开发了能够识别用于定义不同细胞类型的标记基因的软件，另一个能够自动将基因和其他数据翻译为机器可读的分类系统的工具。 Lein的脑细胞数据是该工具的第一个测试案例，两个小组将结果发表于三月份的《人类分子遗传学》。然而，一切才刚刚开始。他们已经向《自然》期刊提交了另一篇论文——仅仅利用细胞的转录组就定义了75种细胞类型。对于可能发现多少种细胞类型，神经科学家无法达成一致，但是即使不是数以万计，也可能是数以千计吧。 编译：鳄鱼 参考来源： |
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