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《國際要聞》美國腦科學計畫首揭大腦運動皮層細胞分類 完成全腦圖譜第一步
2021-10-13

近日腦科學計畫(BRAIN initiative)聯盟的研究團隊在《Nature》期刊上發表17項五年的研究成果,主要是區分出眾多大腦細胞中的部分細胞類型。這是整個全腦圖譜的長期計畫的第一步,目的是幫助科學家了解大腦中的神經網絡是如何控制人類的身體和心靈,以及這些部分細胞類型被破壞後如何導致精神和身體問題。

(註: BRAIN為National Institutes of Health's Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies之縮寫。)

(圖片來源 : ScinenceDaiiy)

研究人員以往已經根據腦細胞的形狀、大小、電特性以及細胞本身表達的基因確定了數十種類型。儘管許多是眾所周知的細胞類型的亞型,但新的研究分別出了大約五倍的細胞類型。例如,釋放特定神經傳遞物(如 γ-氨基丁酸 (GABA) 或谷氨酸鹽)的細胞,每個細胞都有十多種亞型,皆是透過基因表現和神經放電模式(neural firing pattern)來區分。

雖然目前發表在《Nature》期刊上的結果僅針對大腦運動皮層,但2017 年創建的腦科學計畫(BRAIN initiative)聯盟(BICCN),是致力於繪製整個大腦中所有不同類型細胞,大腦網絡由超過 1600 億顆細胞組成,包含神經元和支持神經元的神經膠細胞;而腦科學計畫是由當時的美國總統巴拉克·歐巴馬(Barack Obama)於 2013 年發起。

加州大學伯克利分校的腦科學計劃的領導者Ngai 提及:“開發人類大腦疾病有效療法的諸多限制之一是:哪些細胞對特定疾病的影響和關聯不夠了解,因此無法確定需要針對的目標和位置,有關構成大腦的細胞類型及其特性的詳細資訊,最終將有助於開發神經系統和神經精神疾病的新療法。”

scRNA-seq 技術是 BICCN 團隊用來區分三種不同哺乳動物(小鼠、狨猴和人類)不同細胞類型的方法。另外四種方法則為測試表觀遺傳學(epigenetics)基因,目的是鑒別基因表達量、確定基因組染色質結構及 DNA 甲基化狀態,其他技術包括經典的電生理膜片鉗(electrophysiological patch clamp),以動作電位如何被激發來區分細胞;亦按照形狀對細胞進行分類,確定它們的關聯性,以及觀察細胞在大腦中的空間位置。另外一些方法也包含使用機器學習或人工智慧來區分細胞類型。

柏克萊加州大學(UC Berkeley)的教授Bateup 如此說道:“以往我們已經區分了 10 或 20 種不同的細胞類型,但我們不知道透過基因表達模式區別的細胞,是否與電生理特性區別的細胞相同,抑或者與形態區別的類型相同。”

柏克萊加州大學的教授 Hockemeyer說:“BICCN 的一大進步是由於我們集結了許多定義細胞類型的不同方法,並將它們整合在一起,得出了一個一致的分類法,該分類法不單分為基因表達、生理學及形態學,而是考慮了所有上述分類特性。所以,現在我們可以同時知道特定類型的細胞會表達哪些基因,具有哪種形態、具有哪些生理特性,並且知道位於皮層的哪些特定區域。因此,我們不僅知道特定細胞的基本屬性,亦對這種細胞類型有更深入、更細緻的了解。”

 

(來源:ScinenceDaiiy 生策中心編譯)

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