科學(xué)家們?cè)缇鸵庾R(shí)到為了研究大腦，就必須了解組成大腦的細(xì)胞。如果獲取一塊大腦組織，研究組織中細(xì)胞表達(dá)的基因，這告訴大腦組織中存在多少種細(xì)胞類型，但是這仍然會(huì)留下一大大問題：為了研究這些細(xì)胞表達(dá)的基因，需要將它們從大腦組織中脫離下來，然而，這會(huì)丟失寶貴的信息---它們是如何在組織中組裝在一起的。因此，人們想要真正地理解大腦，就需要大腦中的細(xì)胞所在空間環(huán)境。不同于肝臟或其他器官的是，大腦的不同尋常之處在于大腦中的細(xì)胞以一種對(duì)稱的形式進(jìn)行組裝，因此在研究研究一塊大腦組織時(shí)，應(yīng)當(dāng)不僅能夠觀察那里有哪些細(xì)胞，而且還能夠觀察它們?cè)谀睦铮鼈冎車心男╊愋偷募?xì)胞。

幸運(yùn)的是，美國哈佛大學(xué)的莊小威（Xiaowei Zhuang）教授及其團(tuán)隊(duì)近年來開發(fā)出一種稱為MERFISH（Multiplexed Error-Robust Fluorescence In-Situ Hybridization）的單分子成像技術(shù)（Science, 2015 , doi:10.1126/science.aaa6090）。

在一項(xiàng)新的研究中，通過使用MERFISH，莊小威團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)的Catherine Dulac教授合作，著手解決那些長(zhǎng)期困擾著試圖理解大腦運(yùn)作方式的科學(xué)家們的問題。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年11月2日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region”。

圖片來自Wikimedia Commons。

Dulac說，“大腦中有一些區(qū)域已被研究過了，比如皮層，在那里，人們注意到細(xì)胞是以一種特定的方式進(jìn)行組裝的，但是有很多大腦區(qū)域，我們?nèi)匀徊恢浪鼈兊慕M裝原理。我們?cè)谶@項(xiàng)研究中探究的區(qū)域，即下丘腦，在多種功能中起著不可或缺的作用......它可以控制口渴、喂養(yǎng)、睡眠以及養(yǎng)育子女和生育等社會(huì)行為，但是我們不知道這種結(jié)構(gòu)如何組裝在一起。”

為了解開這個(gè)謎團(tuán)，Dulac和Zhuang將MERFISH與另一種稱為單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNAseq）的方法相結(jié)合。莊小威教授說，“這不僅允許確定下丘腦中存在的細(xì)胞類型，而且還提供了這些細(xì)胞類型的分子特征，并有助于篩選出一組用于MERFISH成像的基因。”

基于這些分子特征和其他具有功能重要性的基因，這些研究人員利用MERFISH通過下丘腦的整個(gè)視前區(qū)中150多個(gè)基因進(jìn)行成像分析，以便在原位鑒定出存在的細(xì)胞類型并且針對(duì)細(xì)胞所在的位置構(gòu)建出一種空間圖譜。他們利用scRNAseq和MERFISH鑒定出大約70種不同的神經(jīng)元亞型，它們中的大多數(shù)是之前未知的。此外，MERFISH成像還允許他們觀察這70種經(jīng)元亞型的空間分布以及非神經(jīng)元細(xì)胞類型的空間分布。

利用這種信息，這些研究人員著手將特定細(xì)胞與特定行為相關(guān)聯(lián)在一起，所采取的解決方案在于一種稱為c-Fos的基因。

作為一種立即早期基因（immediate early gene），c-Fos的轉(zhuǎn)錄在神經(jīng)活動(dòng)期間增加，因此如果能夠追蹤哪些細(xì)胞中的這種基因的轉(zhuǎn)錄在增加，就能夠鑒定出鑒定出在特定行為期間被激活的細(xì)胞。

Dulac說，“因此，我們?cè)试S動(dòng)物執(zhí)行一些行為，比如養(yǎng)育子女，當(dāng)我們觀察哪些細(xì)胞是c- fos陽性時(shí)，我們就知道僅那些細(xì)胞參與養(yǎng)育子女行為。但是多虧了MERFISH，我們知道了哪些基因在這些細(xì)胞中表達(dá)。”

她繼續(xù)說道，“因此，我們能夠以一種我們之前無法做到的方式確定哪些細(xì)胞參與一種特定的行為。這是非常精確的和量化的，我們能夠觀察這些細(xì)胞在哪里......因此，它是一種細(xì)胞圖片、分子圖譜和功能圖譜。”

除了養(yǎng)育子女之外，Dulac、Zhuang及其同事們還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞負(fù)責(zé)其他行為（包括攻擊性和交配）的細(xì)胞。

展望未來，Dulac和Zhuang希望進(jìn)一步探究下丘腦的結(jié)構(gòu)，包括設(shè)計(jì)更好地了解細(xì)胞如何彼此連接在一起的方法。

參考資料：Jeffrey R. Moffitt1,2,3,4,*, Dhananjay Bambah-Mukku1,4,5,*, Stephen W. Eichhorn et al. Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region. Science, Published Online: 01 Nov 2018, doi:10.1126/science.aau5324.

原標(biāo)題：Science：著名華人學(xué)者莊小威再發(fā)力作，構(gòu)建出下丘腦視前區(qū)的細(xì)胞圖譜