中国首度解码人脑“中央处理器”,脑细胞图谱领先美国

DeepTech深科技 2018-03-17 18:27 阅读:2062
摘要:“我思故我在”,即“正在思考怀疑的我证明我的存在”,这句话帮助17世纪法国著名哲学家、数学家、物理学家笛卡尔证明了凌驾于感官、常识、甚至科学之上的“绝对真实”,但各位读者们是否想过,“我思”又是如何存

“我思故我在”,即“正在思考怀疑的我证明我的存在”,这句话帮助17世纪法国著名哲学家、数学家、物理学家笛卡尔证明了凌驾于感官、常识、甚至科学之上的“绝对真实”,但各位读者们是否想过,“我思”又是如何存在的呢?

如果把人比喻成一个从不停歇而又平稳运行的社会,毫无疑问,大脑就是这个社会的司令部,而大脑皮层,则可以称得上是掌控全局的绝对决策中心。

在这个只有两张展开报纸大(约为2200平方厘米)的办公区里,140多亿个“小职员”——即神经细胞,他们姓名不详,来历不明,但兢兢业业、夜以继日的为整个“社会”的平稳运营付出努力。而今,来自中国的科学家们追本溯源、刨根究底,尝试用科技的手段描绘每个“小职员”的一生。

近日,来自中国科学院生物物理研究所的王晓群研究团队、北京大学汤富酬、乔杰研究团队,联合北京大学第三医院和首都医科大学安贞医院张军教授,采用RNA-seq技术对2300余个胚胎发育8周~胚胎发育26周间的前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)的单细胞样本进行分析,确认了六大主要类型共计35个亚型的细胞,并追踪了这些细胞的发育轨迹。

图丨王晓群、汤富酬、乔杰、张军

该研究系统地绘制了胚胎发育早期及胚胎发育中期人类大脑前额叶皮层部分的单细胞图谱,揭示了神经细胞的分化、迁移及成熟机制,为进一步从分子及细胞水平了解前额叶皮层的功能调控提供了翔实的基础。研究的具体内容发表在3月14日的《Nature》杂志上。

“虽然人们一直在强调大脑的各种功能,但我们却对其知之甚少,如果连细胞的基本组成都不了解,那么对其认知功能的解读也就无从谈起,”王晓群教授解释道,“我们的工作为解答前额叶皮层如何参与‘思考与思想形成’这一关键问题的后续研究提供了高精度的细胞图谱,这是前额叶皮层发育研究史上的重要突破和重大进展,可以说在脑计划的细胞图谱研究中,我们已经先美国一步了”。

图丨 美国脑计划

解密大脑“中央处理器”

在了解此次的成果之前,我们需要先简单了解一下正在帮你理解这篇文章的大脑皮层(cerebral cortex)。

人类的神经系统主要由神经细胞及神经胶质细胞等构成,其中胶质细胞具有支持、营养、保护等功能。

神经系统中功能最高级的一部分则是大脑皮层,又称大脑皮质,其表面沟壑交纵,“沟”和“回”是其最为显著的解剖结构,褶皱和沟壑之间藏着高等生物的智慧。

根据空间结构,大脑皮层可分为额叶、顶叶、枕叶等几个部分,其中额叶具有高级认知功能,包括学习、语言、决策、自主运动控制、抽象思维、情绪等

其中,人类的前额叶皮层由一系列高度分化的神经细胞组成,共同主导者人类的记忆、认知及决策等社会行为。前额叶皮层的功能紊乱很可能会导致认知缺陷及神经发育障碍,因而对胚胎发育早期的前额叶皮层细胞种类、功能及特征的了解,对相关神经性疾病的治疗至关重要。

图丨大脑皮层与前额叶(红色)

对于自己,人类看似洞悉全局,但有时又好像知之甚少。很难想象,即使人类对大脑各个部分的功能已有认识,甚至将已知应用于医疗,可如今仍旧连组成的细胞类型究竟是谁、从何而来都说不清楚。

图丨人脑前额叶发育图

而今,来自中国的科学家们正是以此着手,试图通过一定的技术手段,对这些在神经系统中默默工作的细胞们进行“人生”轨迹的勾勒——既追根溯源,也比较归类。

小职员的“人物小传”

由王晓群及合作者组成的研究团队采用单细胞转录组测序的方法,对2309个人脑前额叶中处于发育阶段的“小职员们”逐一进行“描写”,认清它们的身份,记录它们的生活轨迹。

近年来随着测序技术的进步,人们不再满足从大量样品中获取的“整体”表征,而是希望强调个体细胞的特异性,单细胞测序技术就这样应运而生。单细胞测序技术是指在单个细胞水平对基因组、转录组、表观组进行高通量测序分析的一项新技术。它能够揭示单个细胞的基因结构和基因表达状态,反映细胞间的异质性。

在这一次的研究中,科学家们发现,胚胎发育过程中的人脑前额叶皮层是由神经干细胞、兴奋性神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等六大类共计35个亚型的细胞组成的。

随后,通过系统的数据分析及实验验证,研究者发现中间前体细胞(一种神经干细胞,可分化成其他神经细胞)在胚胎发育过程中存在两个爆发期:第一次在胚胎发育10周左右,第二次在胚胎发育16周左右。在这两个时期内,大脑前额叶集聚了大量的中间前体细胞,这也为之后前额叶皮层快速形成大量的神经元,进而形成复杂完善的神经系统奠定基础。

同时,研究者们也首次揭示了前额叶皮层兴奋性神经元生成、迁移及成熟的三个阶段,分别为胚胎发育8-12周、胚胎发育13-16周、胚胎发育19-26周。且26周后,胎儿前额叶部分神经细胞已经具备正常发放钠钾电流的能力。

这意味着,在胚胎发育26周左右,已经有初步的神经环路形成,换句话说,这时候的胎儿很可能已经具有了人类的基本思维。

大国之争

绘制了这些“小职员”的生命轨迹,我们就能获得大脑图谱。但大脑图谱其实并非是只有中国科学家在研究。

早在 2013 年 4 月,美国奥巴马政府就开启了名为BRAIN Initiative的10年项目,由美国国立卫生研究院(NIH)领导。针对脑科学的 9 个领域进行资助,而为大脑细胞分类、绘制大脑图谱便是该项目的重要工作之一。

其实,在科技前沿的竞赛中,中国一直与之保持着“亦敌亦友”的关系,既是竞争对手,但又随时保持开放分享的态度。此次我国研究者们绘制的人脑前额叶胚胎发育过程中的单细胞转录组图谱,不仅仅是我国神经生物学界的重要成果,更是整个生物学界的共同基础财富。

巧合的是,最近,BRAIN Initiative 项目同样有了新的进展。在美国脑力联盟、美国神经病学研究院主办的国会简报会上,Joshua A. Gordon 博士等人领导的团队发布了名为“BRAIN Initiative 进入下一阶段”的报告,介绍了他们的最新发现,例如从分辨率达突触级别大脑的电路图,无创实现大脑网络可视化的研究进展等。

当然,目前人类对自身大脑的所知只能称得上是砖块瓦砾,构建起系统的建筑,我们仍有很长的路要走。

版权声明
本文仅代表作者观点,不代表百度立场。
本文系作者授权百度百家发表,未经许可,不得转载。
阅读量: 2062
0