追問｜腦細胞普查：科學家是如何給腦細胞發“身份證”的
·腦細胞普查項目是希望通過開發和應用前沿技術，對人、非人靈長類動物（比如：獼猴）和小鼠大腦裡的細胞類型進行識別和分類，相當於在大腦中對每個腦細胞進行“人口普查”，給每個細胞發一張身份證。而後根據普查結果，可以有針對性地對重要的特定細胞類型進一步深入研究。
在“人類基因組計劃”（Human Genome Project）宣告基本完成之後，各國科學家們把目光投向了大腦。
2023年10月12日至13日，美國腦科學計劃（BRAIN）的實施主體細胞普查聯盟（Cell Census Network，BICCN）在《科學》（Science）、《科學·轉化醫學》（Science Translational Medicine）和《科學進展》（Science Advances）上共發表了21篇研究文章，展示了美國腦科學計劃的一系列研究成果，主要圍繞人類、非人靈長類以及小鼠大腦中的細胞類型和功能。
人腦由近千億個神經元細胞組成，它們之間相互連接的突觸數量近千萬億，堪比宇宙中的恆星數量。從這個複雜的神經元宇宙中涌現出了語言、思維和情感等等認知過程，而人類對這些過程的理解還非常粗淺。
爲了揭開大腦的秘密，在2010年後，世界各國紛紛以繪製人腦圖譜爲主要目標啓動政府主導的大規模研究計劃，如2013年歐盟的“人腦計劃”（Human Brain Project）和美國奧巴馬政府提出的“創新型神經技術大腦研究”計劃（BRAIN），以及2014年日本的“綜合神經技術用於疾病研究的腦圖譜”計劃等。中國也在2021年啓動了“中國腦計劃”。各國大腦計劃的核心都是爲了弄清楚神經元和突觸的複雜網絡是如何產生功能的，但研究側重存在差異。
什麼是腦細胞多樣性？科學家如何對其進行研究？大腦計劃有什麼樣的意義？爲了回答這些問題，澎湃科技採訪了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員周毅，請他對這些研究進行解讀。
【對話】
從基因層面探究多樣的腦細胞
澎湃科技：能否介紹一下這次的一系列研究成果的主題？其中有什麼突破性的發現？
周毅（中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員）：這一批的研究工作致力於表徵人類、非人靈長類以及小鼠大腦中多樣的細胞類型及其功能，針對人和不同動物模型在胚胎髮育中和成年期的轉錄水平、表觀遺傳、空間分佈及功能進行了研究，從而使我們對大腦不同細胞類型及其功能如何產生、在進化中如何特化有了高精度大通量的深入理解。
本次研究主要圍繞了以下主題：
1. 繪製了胚胎期間和成體人腦多個腦區的單細胞轉錄組學和表觀基因組學圖譜，描述人腦發育至成年中的細胞多樣性、空間分佈特徵、及分子層面的變化。
2. 比較了人、非人靈長類（比如獼猴）、小鼠的腦細胞圖譜的異同，挖掘人腦的特殊性，其中包括細胞類型、基因表達等差異。
3. 探究了人腦中特定的重要細胞類型（如：神經幹細胞、調節腦活動的中間神經元等）及其功能，進行組學和類腦器官建模分析。
澎湃科技：能否介紹一下大腦細胞多樣性的觀點？大腦細胞信息能夠告訴研究人員什麼？一般如何去研究？
周毅：人腦由超過800億個神經元構成，它們是大腦運作的基礎元件。但是它們的構成很複雜，不同的大腦區域有不同類型的神經元和神經膠質細胞，每一類細胞還能再分出不同的亞類。神經元細胞並不是一種，而是具有多種類型，這就是細胞多樣性的基本觀點。
科學家們一直試圖理解它們的詳細分類情況，這樣能夠幫助我們瞭解受疾病影響的某一類細胞的亞類，指導我們對疾病的診斷或者治療（比如：設計只針對某一個細胞亞類管用的藥物，這樣既能藥效好、副作用又小）；或者，可以幫我們瞭解只在人腦中才存在的細胞亞型，從而理解人腦相較於猴、小鼠大腦的特殊性。
科學家在很久以前就意識到大腦細胞存在多樣性。一百多年前，“現代神經科學之父”雷蒙尼·卡哈爾爵士（Sir Ramón y Cajal）就通過稀疏地標記大腦細胞和顯微鏡觀察，手繪了神經元等大腦細胞的形態，爲後世提供了腦細胞的形態學上的參照圖譜，影響深遠。可見擁有單細胞分辨率的研究方法，對於解析大腦細胞的特性很重要。
但是長期以來，腦科學家們對大腦細胞的基因和分子層面的“身份證”信息瞭解很少。現在，隨着腦樣本庫的建立和完善，研究人員能夠獲取高質量腦組織以進行表徵描述，其中包括用多種組學的單細胞測序分析，深入理解大腦裡各種各樣的細胞的分子信息，不僅實現了卡哈爾百年前的繪製腦圖譜的夙願，而且遠不止瞭解每種細胞長什麼樣（形態學），更是理解其分子特徵、電生理特徵、與其它細胞的連接特徵等。
而後，腦科學家通常會綜合利用高速發展的多種生物技術，比如轉基因動物和人腦類器官等動物實驗模型、基因編輯等手段，以確立導致特定大腦表徵的基因，並針對特定腦疾病開發診斷和治療方法。
研究大腦的一般過程。受訪者供圖
澎湃科技：除了人腦之外，很多研究還進行了人腦和其它靈長類動物腦細胞的對比研究，也研究了齧齒類。這些對比研究的意義主要在哪裡？
周毅：人腦——包括其結構和功能的發育形成，以及腦功能的執行，是十分複雜的，在時間和空間層面都受到精密調控，一旦調控出了問題，就會產生腦疾病。而我們對這些問題的具體機制知之甚少。動物和人的大腦在進化上既有許多保守的規律特徵，人腦也具有大量動物腦所不具備的創新特性，使人類能夠進行高級活動，比如能夠進行復雜思考、能夠語言交流等，奠定了人類在大自然動物界中的獨特性。
進化爲研究不同物種間的差異性的腦發育和腦功能的遺傳調控提供了天然的視角。跨物種研究，即研究不同物種間的差異，可以揭示人腦中關鍵且特異的基因或調控因子，並且現在單細胞分辨率的研究能精確到特定的細胞類型和生命週期。這樣的研究，能夠爲解答“爲什麼人之所以爲人”這樣的終極問題提供線索。
澎湃科技：其中大部分研究通過單細胞轉錄組學以及表觀基因組學分析人腦和動物大腦。能否簡單介紹一下這些方法？
周毅：單細胞測序分析是一個很年輕的技術，2009年纔出爐。一般而言，一項新技術的應用需要經過幾次迭代，以求把技術平臺發展得穩定一些，比如使實驗結果的可重複性提高、錯誤率降低、使平臺搭建的難度降低、使價格更合理等，而後纔可能有效助力我們解析重要的生物學原理和醫學科學問題。而經過十多年的發展，目前，單細胞轉錄組和表觀基因組測序分析這一技術已經相對成熟可靠，能夠用來解析大腦的細胞多樣性。技術人員更是基於單細胞轉錄組學發展出多組學的測序分析方法（比如：能夠在同一細胞中同時檢測轉錄組和表觀基因組學，比如保留了空間信息的單細胞組學等），使我們有機會在不久的將來，在同一細胞中獲取多種組學多個維度的分子信息。
腦細胞普查：給腦細胞發“身份證”
澎湃科技：這次的一系列研究成果來自於2017年成立的美國腦科學計劃（Brain Initiative）-細胞普查聯盟（Cell Census Network，BICCN），能否介紹一下這項工作的學術背景和意義？“腦圖譜”是具體是一種什麼樣的圖譜？這項工作的主要難點在哪裡？
周毅：腦細胞普查項目是希望通過開發和應用前沿技術，對人、非人靈長類動物（比如：獼猴）和小鼠大腦裡的細胞類型進行識別和分類，相當於在大腦中對每個腦細胞進行“人口普查”，給每個細胞發一張身份證。而後根據普查結果，可以有針對性地對重要的特定細胞類型進一步深入研究。
這樣的普查可以幫助我們繪製腦細胞的“圖譜”，不僅能幫助我們瞭解大腦是由哪些細胞組成、它們分別有什麼分子特性、分佈在哪裡、是怎麼連接的，也可以瞭解人腦爲什麼和動物的不一樣，還可以指導我們分析大腦在疾病狀態下哪些細胞的哪些基因出了什麼問題，爲診斷和治療提供基礎。
過去，實現這個設想的主要難點是由於技術上精度不夠，無法在單細胞的分辨率“看”清楚細胞裡表達的基因。而近十幾年來，分子檢測技術越來越成熟，尤其是有一種叫做“單細胞測序分析”的方法（包括了比如：單細胞轉錄組學、表觀基因組學、空間轉錄組學等），能夠使我們以極高的單個細胞的分辨率觀察大腦細胞的基因信息，並且由依託機器學習等先進的生物信息學算法，幫助我們整合細胞的分子、形態學、生理學和解剖學等信息和特徵，最終使單細胞水平繪製腦細胞圖譜成爲可能。
澎湃科技：請問這次研究的成果大概屬於哪個階段？後面預期還會有什麼樣的成果？距離腦圖譜測定完成還有多遠？
周毅：這一批腦細胞普查的論文發表是一項階段性成果。後續將基於這些成果進一步繪製腦細胞、腦連接圖譜，並同時開發新的技術手段，大致朝着以下這幾個方向發展：
1. 更側重於繪製人腦的圖譜，整合多種數據模態，並特別關注腦疾病。目前第一階段的腦細胞普查主要針對小鼠動物模型和健康人腦的部分腦區（比如腦皮層）進行了單細胞轉錄組測序分析，這相當於建立了基準線，知道正常生理情況下是怎麼樣的，可用以分析對比生病了的大腦有怎麼樣的改變。
接下來的2.0版本的項目，在測序對象上會更側重人腦和靈長類腦（相比小鼠與人更相似）；在測序方法上注重將多種數據模態結合（轉錄組、表觀轉錄組、空間轉錄組、蛋白組、形態、電生理等）；更重要的是，將着重對疾病腦進行測序分析。
2. 探索腦環路是怎樣連接的，腦功能是怎樣形成的，開發精確靶向特定細胞類型的工具。第一階段的腦細胞圖譜主要是細胞分子的普查，而下一階段將對大腦的神經環路如何連接進行探索。這包括繪製腦連接圖譜，開發新的病毒追蹤、顯微成像等研究工具，開發實時而高通量的追蹤神經元活動的方法，開發新的計算生物學分析算法等。
3. 建立基因型和表型、腦活動和人類行爲之間關係的因果性，並以此開發腦疾病的新診療方法。第一階段的腦細胞圖譜提供了高通量的、豐富的數據庫，如同寶藏一樣，值得深入數據挖掘。針對特定細胞類型和潛在靶點，科學家們通過在動物模型和人源細胞（比如類腦器官）模型中進行比如基因編輯這樣的精確干預，進行反向遺傳學研究，切實建立基因型和表型間的因果關係，揭示腦發育、腦連接、腦疾病的機制。隨着我們對這樣的調控機制的深入認識，在不久的將來能夠“量變引起質變”引發腦科學研究範式的重大改變，最終促使腦疾病診療手段的發展。
澎湃科技：我國在2016年將“腦科學與類腦研究”列爲“國家重大科技創新和工程項目”；2021年公佈《科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》。我國的腦科學計劃與美國腦計劃有何異同？
周毅：我國所開展的腦科學計劃其實涵蓋了美國腦計劃第一和第二階段的內容。不僅有不同年齡、物種、疾病狀態下的單細胞水平腦細胞圖譜的繪製，也有不同大腦區域腦連接的圖譜繪製和腦功能的神經機制研究，還有新型的圖譜研究和神經活動記錄和調控的技術平臺的開發。更是涵蓋了美國腦計劃所沒有強調的類腦計算與腦機智能技術及應用。