編者按

幾十年來，科學家們一直將大腦視為人體黑匣子，并熱衷于解析其中的秘密。近日，上月剛獲科學突破獎的華人學者莊小威及其同事開啟了這一神秘區域：他們創建了一個小鼠關鍵腦區域的細胞圖譜，利用尖端成像技術檢查了大腦一塊2mm×2mm×0.6mm區域中的100多萬個細胞，不僅識別了70多種不同類型的神經元，而且還精確定位了細胞的位置及其多種功能。

DOI：10.1126/science.aau5324

這項研究以“Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region”為題發表在《Science》雜志上，作者之一、哈佛大學的Catherine Dulac認為，“這項研究讓我們對大腦的細胞、分子和功能組織有了突破性的詳細了解，我們以前所未有的方法理解了一些行為，所用技術可以在大腦的任何地方用于任何功能的解析。”

01.一個難題

前人已經意識到，在腦研究過程中，需要了解它的細胞組成部分，所以，如果拿一塊組織來看細胞表達的基因，它會告訴你大腦有多少種細胞類型，但這其中有一個問題：在將細胞從組織中分離出來的過程中，科學家們丟失了一條寶貴的信息——即細胞在大腦組織中是如何組織起來的。

Dulac說:“真正想了解大腦，你還需要一個空間背景（spatial context），因為大腦細胞不像肝臟或其他器官那樣以對稱的方式組織，大腦的不同尋常之處在于它具有神經元的拓撲結構。因此，我們希望能夠觀察大腦的一部分，看看那里有哪些細胞、它們在哪里，以及它們周圍有哪些類型的細胞。"

現在，這項新研究解決了Dulac所說的這一基本生物學問題和隨之而來的技術挑戰。

圖片來源：Wikimedia Commons

02.必殺器——MERFISH

莊小威的實驗室近年來開發了一種簡稱為MERFISH的完美工具。

“我們的細胞中有成千上萬的基因被表達出來，從而形成賦予細胞功能的分子機制，”莊小威說，“我希望能夠同時對所有這些基因進行成像，這就是我們開發MERFISH的原因。"

MERFISH方法的工作原理是將生物條碼分配給細胞的RNA，將它們與DNA探針文庫雜交來表示這些條碼，然后通過成像讀出這些條碼來確定單個RNA分子的身份。通過多輪成像，可以同時讀出許多不同的條碼。

“這種方法的一個驚人特性是可以成像的基因數量和成像輪數之間的指數比例，”莊小威說，“如果你想看10，000個基因，你可以嘗試蠻力方法，一次一個，當然沒有人會這樣嘗試。MERFISH非常強大，因為它允許我們在大約10輪成像中對數千種不同的RNA進行成像和區分。"

此外，莊小威和同事在MERFISH中構建了一種糾錯方法，以確保條碼能夠被正確讀取。該小組沒有使用所有可能的條碼（即一個錯誤可能會導致一個代碼被誤讀為另一個有效的代碼），而是選擇了一個條碼子集，只有當多個錯誤同時出現時，該子集才會被誤讀，從而大大降低了錯誤識別基因的幾率。

“MERFISH的主要應用之一是原位識別細胞類型。不同的細胞類型有不同的基因表達譜。因此，這些基因表達譜為細胞類型鑒定提供了定量和系統的方法。由于我們可以通過MERFISH成像在完整組織中做到這一點，我們也可提供這些細胞類型的空間結構（spatial organization）。"莊小威解釋道。

莊小威

03.解決基本生物學問題

基于這一技術，莊小威、Dulac及其同事開始著手研究那些長期困擾科學家們的關于大腦如何運作的基本生物學問題。

大腦中一些區域如大腦皮層已經被研究過，盡管在這些區域人們已經注意到細胞以一種特定的方式組織起來，但有很多大腦區域我們并不知道其組織起來的原理。以這項研究中觀察的下丘腦為例，它控制著口渴、進食、睡眠和社會行為，以及養育和生殖等社會行為，然而我們并不清楚這一腦區域是如何組織起來的。

為了解開這個謎團，莊小威與同事將MERFISH與單細胞RNA測序（scRNAseq）結合，這不僅允許細胞類型在下丘腦中分類，還提供了這些細胞類型的分子特征，并有助于為MERFISH成像選擇基因組。

基于這些分子特征和其他具有重要功能的基因，他們使用MERFISH同時對下丘腦視前區的150多個基因成像，以原位識別細胞類型，并繪制細胞位置的空間圖。

“scRNAseq和MERFISH都使我們能夠識別大約70種不同的神經元亞型，其中大部分以前是未知的， MERFISH成像使我們能額外看到所有70種神經元類型分布以及非神經元細胞類型的空間分布。”莊小威形象描述道，“你可以看到，有一個精致的空間組織它就在你眼前跳躍著。你不僅可以看到哪些神經元彼此相鄰，由于我們的圖像是分子的，你還可以識別這些細胞是如何相互交流的。此外， MERFISH成像的超高靈敏度讓我們還能夠識別對細胞功能至關重要的低表達基因。"

04.揭秘細胞與行為之間的聯系

有了這些信息，研究小組開始將特定的細胞與特定的行為聯系起來，解決方案是以一種名為c-Fos的基因的形式出現的。

c-Fos轉錄被稱為立早基因（immediate early gene），在神經活動過程中會增加，因此，如果研究人員能夠追蹤哪些細胞顯示出基因增加，他們就能識別出在特定行為過程中被激活的細胞。舉例來說，通過允許動物進行一些類似育兒的行為，當觀察到哪些細胞是c-Fos陽性細胞時，研究人員就能知道控制育兒行為的細胞有哪些了。

除了養育后代，作者們還發現了負責其他行為（如攻擊和交配）的細胞，雖然他們發現了驚人的共性，但也存在著耐人尋味的差異，這取決于小鼠是父母鼠還是缺乏性經驗的處男/女鼠。

人類對自己大腦的認識任重而道遠，當徹底破譯這個人體黑匣子之時，也是詮釋生命秘密之日。展望未來，莊小威及其同事希望進一步探索下丘腦的結構，包括設計更好的方法去理解細胞之間是如何相互連接的。

原標題：Science重磅！莊小威開啟大腦“黑匣子”，解析細胞與行為之間的聯系

參考資料：

1）Making a map of the brain—First-of-its-kind cellular atlas identifies neuron types, location and even function

2）Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region