从老鼠到猴子再到人类，控制运动的大脑区域的超详细地图

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它可能感觉不太好，但这种简单的运动需要你大脑几个区域的数百万个不同神经元的协同努力大脑，然后信号以每小时200英里的速度从你的大脑发送到你的脊髓，然后到收缩的肌肉来移动你的手臂。

在细胞水平上但是，这种快速运动是一个高度复杂的过程，就像大多数涉及人类大脑的事情一样，科学家们并不完全了解这一切是如何结合在一起的。

现在，第一次，神经元和其他细胞人类、老鼠和猴子大脑中控制运动的区域已经被精确地绘制出来。它的创造者是由美国国立卫生研究院召集的一个大型神经科学家联盟通过推进创新神经技术进行大脑研究(大脑)计划他说，这个脑图谱将为绘制整个哺乳动物的大脑图谱铺平道路，也将更好地理解神秘的脑部疾病——包括那些攻击控制运动的神经元的疾病，比如肌萎缩侧索硬化症(ALS)。

该地图集在今天发表在该杂志上的17篇文章的特别包装中进行了描述自然，包括一篇描述整个地图集的旗舰论文。

“在人类的大脑中，有超过1600亿个细胞。我们大脑的细胞比这个世界上的人多20多倍，”曾宏奎博士说，他是艾伦研究所下属艾伦脑科学研究所的执行副总裁兼主任，也是几项brain initiative资助研究的首席研究员。“要了解一个系统是如何工作的，你首先需要建立一个零件清单。然后，你必须了解每个部分在做什么，并将各个部分组合在一起，以了解整个系统是如何工作的。这就是我们对大脑所做的。”

这项由BRAIN initiative资助的大规模合作涉及全国各地的数十个研究团队，他们共同努力完成初级运动皮层的细胞图谱，初级运动皮层是哺乳动物大脑控制运动的一部分。结合十几种不同的技术来定义大脑细胞类型“通过三种不同的哺乳动物物种，由此产生的开放获取数据收集是迄今为止发布的哺乳动物大脑任何部分的最全面和详细的地图。研究人员将存在于运动皮层的数以百万计的神经元和其他种类的脑细胞分类为许多不同的细胞类型——该区域不同类型脑细胞的实际数量取决于它们是如何测量的，但范围从几十个到100多个。

研究人员之所以选择初级运动皮层，部分原因是它在所有哺乳动物物种中都是相似的——尽管人类、猴子和老鼠的大脑有许多不同之处，但我们控制运动的方式非常相似——还因为它代表了新皮层，这是哺乳动物大脑的最外层，不仅整合了感觉和运动信息，还产生了我们复杂的认知功能。这个完整的图谱是通过brain Initiative cell census Network (BICCN)创建所有脑细胞类型目录或普查工作的一大步。美国国立卫生研究院于2017年启动了BICCN，授予了9项合作网络拨款，其中3项由艾伦脑科学研究所的研究人员领导。

就像人口普查一样，细胞普查的目的是对所有不同类型的脑细胞进行分类，包括它们的性质、相对比例和物理地址，以获得共同构成我们大脑的细胞群的图片。了解“正常”大脑的细胞构成是了解疾病中出现问题的关键一步。

“如果我们真的想了解大脑是如何工作的，我们必须深入到它的基本单位。这就是细胞，”艾伦脑科学研究所的高级研究员、几项专注于人脑的Brain Initiative研究的首席研究员Ed Lein博士说。“这在临床上也很重要，因为细胞是疾病的发生地。通过了解在不同的脑部疾病中哪些细胞是脆弱的，我们可以更好地了解并最终治疗疾病本身。这些研究的希望在于，通过对细胞类型进行基本分类，我们可以为理解疾病的细胞基础奠定基础。”

图谱的创建者使用了几种不同的方法来测量各种细胞特性，通过关联和整合这些特性来定义细胞类型，这些特性包括细胞开启的一整套基因;细胞的“表观遗传”景观，它定义了基因是如何被调控的;细胞的三维形状;它们的电学性质;以及它们如何与其他细胞连接。单细胞基因表达和表观遗传数据尤其重要，因为研究人员能够使用这些数据整合所有其他类型的细胞类型数据，创建一个通用的框架来分类细胞类型，并在物种内和物种之间进行比较。

这些研究不仅需要研究人员之间的合作来设计和执行实验，还需要协调和公开分享来自地图集项目和BICCN下其他项目的数据。脑细胞数据中心，简称BCDC，总部设在艾伦研究所。该数据中心由艾伦脑科学研究所研究员Michael Hawrylycz博士领导，帮助组织BICCN联盟，并为全国各地的研究数据存档中心提供单一访问点。

美国国立卫生研究院大脑计划主任John Ngai博士说:“在开发人类大脑疾病的有效疗法方面，我们的许多局限性之一是，我们对哪些细胞和连接受到特定疾病的影响还不够了解，因此无法精确地确定我们需要瞄准的目标和位置。”“艾伦研究所在协调脑细胞普查项目产生的大量数据方面发挥了重要作用，这些数据提供了有关构成大脑的细胞类型及其特性的详细信息。这些信息最终将有助于开发神经和神经精神疾病的新疗法。”

艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)的科学家参与了17项已发表研究中的9项，并领导或共同领导了其中的6项。艾伦研究所领导的四项主要研究探讨了:

• 如何比较小鼠、人类和狨猴初级运动皮层的细胞类型。研究小组发现，大多数运动皮层脑细胞类型在这三个物种中都有相似的对应物，在细胞比例、形状和电学特性以及打开和关闭的个体基因水平上存在物种特异性差异。例如，在大脑的这个区域，人类的兴奋性神经元大约是抑制性神经元的两倍，而老鼠的兴奋性神经元是抑制性神经元的五倍。研究人员还深入研究了著名的贝茨细胞(Betz cells)，这是一种巨大的神经元，存在于我们、猴子和许多其他大型哺乳动物的脊髓中，并捕获了人类贝茨细胞的第一个已知的电记录，这种细胞在ALS中退化。老鼠有基于共同遗传程序的进化相关神经元，但它们的形状和电特性与人类非常不同。
• 对大脑细胞类型的更广泛分析人类的大脑观察6层新皮层的第二层和第三层。与啮齿类动物相比，人类和其他灵长类动物的这些皮层和整个新皮层要大得多，包含的细胞种类也更多。艾伦研究所的研究人员使用了一种名为Patch-seq的三叉技术来测量脑外科患者捐赠的组织样本中这些层中几种神经元的电学特性、基因和3D形状。该研究对活体人体组织中的这些神经元进行了表征，并证明了专门用于在人类皮层不同区域之间进行交流的神经元类型的多样性增加，包括深入研究在阿尔茨海默病中特别脆弱的人类神经元的特殊类型。
• 这是迄今为止最大的一组完整的全脑重建，包括小鼠大脑中1700多个不同的神经元。由于细胞长而精致的轴突和树突，这种形式的3D神经元追踪是广泛而复杂的，但它提供了关于不同神经元类型通过轴突乔木到达遥远大脑区域的长距离连接的重要信息。艾伦研究所的研究人员发现，这些神经元的轴突突表现出极其多样化的模式，有些只有几个集中的分支，而另一些则分布在大片区域。例如，在被称为屏状体的结构中，一些神经元以冠状的方式在新皮层的整个圆周上发送轴突树枝。像这样的特征连接模式是帮助区分脑细胞类型的关键属性。
• 小鼠初级运动皮层的细胞组成，根据每个细胞打开的基因套件(“转录组”)以及细胞染色体上的基因调控修饰(“表观基因组”)，将大约50万个神经元和其他脑细胞分类为细胞类型。利用一系列技术，艾伦研究所的研究人员和他们的合作者生成了七种类型的转录组和两种类型的表观基因组数据集，然后开发了计算和统计方法，将这些数据集整合到细胞类型的共享“进化树”中。这项研究发现了数千种标记基因和其他针对每种细胞类型的DNA序列。