Science重磅！莊小威開啟大腦“黑匣子”，解析細(xì)胞與行為之間的聯(lián)系

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來源：生物探索

2018-11-06

幾十年來，科學(xué)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(xué)突破獎的華人學(xué)者莊小威及其同事開啟了這一神秘區(qū)域：他們創(chuàng)建了一個(gè)小鼠關(guān)鍵腦區(qū)域的細(xì)胞圖譜，利用尖端成像技術(shù)檢查了大腦一塊2mm×2mm×0.6mm區(qū)域中的100多萬個(gè)細(xì)胞，不僅識別了70多種不同類型的神經(jīng)元，而且還精確定位了細(xì)胞的位置及其多種功能。

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

一個(gè)難題

前人已經(jīng)意識到，在腦研究過程中，需要了解它的細(xì)胞組成部分，所以，如果拿一塊組織來看細(xì)胞表達(dá)的基因，它會告訴你大腦有多少種細(xì)胞類型，但這其中有一個(gè)問題：在將細(xì)胞從組織中分離出來的過程中，科學(xué)家們丟失了一條寶貴的信息——即細(xì)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(gè)空間背景（spatial context），因?yàn)榇竽X細(xì)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(jīng)元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，我們希望能夠觀察大腦的一部分，看看那里有哪些細(xì)胞、它們在哪里，以及它們周圍有哪些類型的細(xì)胞。"

現(xiàn)在，這項(xiàng)新研究解決了Dulac所說的這一基本生物學(xué)問題和隨之而來的技術(shù)挑戰(zhàn)。

必殺器——MERFISH

莊小威的實(shí)驗(yàn)室近年來開發(fā)了一種簡稱為MERFISH的完美工具。

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

MERFISH方法的工作原理是將生物條碼分配給細(xì)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(gè)RNA分子的身份。通過多輪成像，可以同時(shí)讀出許多不同的條碼。

“這種方法的一個(gè)驚人特性是可以成像的基因數(shù)量和成像輪數(shù)之間的指數(shù)比例，”莊小威說，“如果你想看10，000個(gè)基因，你可以嘗試蠻力方法，一次一個(gè)，當(dāng)然沒有人會這樣嘗試。MERFISH非常強(qiáng)大，因?yàn)樗试S我們在大約10輪成像中對數(shù)千種不同的RNA進(jìn)行成像和區(qū)分。"

此外，莊小威和同事在MERFISH中構(gòu)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(gè)錯誤可能會導(dǎo)致一個(gè)代碼被誤讀為另一個(gè)有效的代碼），而是選擇了一個(gè)條碼子集，只有當(dāng)多個(gè)錯誤同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，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(yīng)用之一是原位識別細(xì)胞類型。不同的細(xì)胞類型有不同的基因表達(dá)譜。因此，這些基因表達(dá)譜為細(xì)胞類型鑒定提供了定量和系統(tǒng)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(diǎn)，我們也可提供這些細(xì)胞類型的空間結(jié)構(gòu)（spatial organization）。"莊小威解釋道。

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