构建一个阿特拉斯的大脑神经科学指导:采访艾伦研究所Lein
一个新项目映射的数十亿人类大脑细胞正在进行中。
这个项目,美国国立卫生研究院的一部分大脑研究通过推进创新公司成员(大脑)倡议,包括18将牵头机构和艾伦脑科学研究所的一个研究小组在西雅图,佤邦,艾伦研究所的细分。
Ed Lein研究所高级研究员,该项目与Hongkui曾博士,该研究所的执行副总裁和董事。
项目,被称为BICAN(大脑倡议细胞图谱网络)会利用飞速发展的基因组和细胞技术构建一个图集,Lein希望将提供一个几十年的大脑研究未来的蓝图。
188金宝搏备用Lein找出更多谈到BICAN以及它如何能够解决一些最大的谜团围绕我们的大脑极其复杂。
Ruairi J麦肯齐(RM):这不是艾伦研究所的第一个脑图谱——BICAN有何不同?
Ed Lein (EL):我们的地图册已经采取多种形式。他们主要是分子地图册。我们从一只老鼠脑图谱,我们绘制基因组中所有基因的表达在老鼠的大脑。我的兴趣了,随着时间的推移,研究人类的大脑,并试图施加新技术可以处理的规模好人类大脑的结构和功能。这个项目,我们谈论的是最新和最优迭代试图使人类大脑图谱。
RM:你能给项目的概况吗?
埃尔:The哲学,我们带着这个项目,这是一个大挑战,试图映射大脑。不仅我们要创建这张地图,但它的方式最大限度地用于神经科学和医学社区。bet188真人
我们的阿特拉斯是一个项目在这个更大的项目。我们现在能够理解的概念是非常复杂的细胞组成的组织利用基因组学的工具,特别是一种叫做单细胞的技术或single-nucleus基因组学。它允许您测量所有的基因都被用于单个细胞。这可以大大扩大;现在你可以在许多数以百万计的细胞,每个都有一个独特的基因签名。这些基因使细胞的不同他们的特定属性。事实证明,如果你可以测量所有的基因在细胞,可以分类这些细胞的基因的基础上使用。你可以分类和利用这个非常复杂的组织和理解所有的特定类型的细胞构成的组织。你可以扩展。
它使用的工具来自人类基因组计划,但现在他们适用于细胞基因组。这个现在已经补充方法,你可以看许多基因同时在组织切片和识别每一个细胞。这些都是现代细胞地图的两个大的部分:首先,生成一个分类类型的细胞,然后映射这些细胞在组织部分。我们现在有工具来创建一个新的、非常高分辨率的地图的所有类型的细胞构成的大脑。
这是很重要的,因为大脑是迄今为止最复杂的结构(身体的)。这是一个非常简单的重复结构在肝脏或肾脏或肌肉。在大脑中,它不是这样的。有成千上万的细胞类型。但大多数研究大脑无法获得这样的信息。如果你看看其他系统中,你会发现许多疾病影响特定类型的细胞。当然要这样在大脑中。但是我们没有,移动地图。这个项目的目标是创建这个新基础参考,对大脑是一个非常复杂的细胞器官,将它分解成所有的细胞类型,然后试图理解地图。
RM:有多大的转变的复杂性从老鼠到人类大脑?
埃尔:我认为我们可能会假定大脑变大,变得更为复杂。不过的一件事情这种理解细胞分子生物学方法导致了比较跨物种的能力。我们可以比较细胞多样性在老鼠和人类和猴子。事实证明,在任何给定的大脑区域,复杂性是一样的。一块是复杂的人类大脑皮层的一块类似鼠标皮层。这是一个惊喜,对吧?现在,有很多的差异,有些地方(人脑)哪里有增加了复杂性。但是也可以有更多的复杂性在老鼠大脑的特定区域比同一地区在人类。
这一发现,我们可以映射跨物种是这个项目的核心部分。我们创建一个非人类的灵长类动物和人类的阿特拉斯映射回鼠标atlas我们已经有了。它变成了一个人类和所有主要的生物有机体之间对比阿特拉斯用于疾病研究。为什么这是重要的是,我们可以做很多的实验模型系统像一只老鼠。
我们可以学习细胞的基本属性是什么。一个神经元,他们做什么样的联系?他们项目的轴突在哪里?我们没有技术,在人类。但我们可以推断出同源性细胞的属性,因为我们可以将它们映射跨物种;总体架构是守恒的。如果一个特定的神经元项目从一个皮质的一部分到另一部分的老鼠,它几乎肯定在人类有相同的基本属性。
RM:多少时间你希望保存这幅地图能够使用相同的人类和非人类灵长类动物大脑?
埃尔:我们认为我们可以生产大约在五年之后这张地图为人类和猴子——大约在同一时间我们花了老鼠大脑地图。规模的因素是可控的,因为这种同源性,我们不需要测量人类大脑的每一个细胞。得到一个伟大的人类大脑的地图,我们需要尝试匹配类型的细胞,我们看到一个更小的大脑在这一水平。它实际上变成了一个抽样样本问题——如何在一个更大的大脑捕捉你看到在一个较小的大脑的复杂性?当然,仍大,大1000倍,但我们不需要样本1000倍来捕获相同的复杂性。
当我们绘制了老鼠的大脑,我们几乎要样品。我们不知道我们正在寻找。但是我们有基本的映射,所以现在我们想匹配映射或确定primate-specific或人类特有的领域。
RM:你开始采样的分析从六个大脑。你期望多少间脑变异性?
埃尔:我们选择了分析少量的大脑以覆盖整个大脑。大脑的挑战是,每个部分的大脑是复杂的。如果你想要得到一个完整的地图,你必须投入大量资源,以少量的个体标本以覆盖区域。这是一个策略,我们使用的次数在过去。
但事实证明,人类有很强的守恒的架构。我们可以理解人类大脑的本质从一个非常小的数量的个体,但它不会给我们非常了解由任意数量的因素变化,你可能会感兴趣——性别、种族、人的能力或疾病易感性。为了做到这一点,你必须看看更大的数字。但理解你所看到的,当你有更大的数字,你需要第一个基线特征。
这个元素的地图就像人类基因组计划的第一阶段,这只是基于一个个体。1000人基因组计划开始理解差异。现在,全基因组关联研究(GWAS)数以百万计的人。
我们已经做了一些研究观察这些细胞如何配置文件不同的个人。他们所做的变化明显的基因表达和细胞的相对组成。你可以有相同的细胞组成,但你可以有不同比例的细胞,例如。
有几个项目在BICAN已经真的承担了这一问题。但核心的我们要做的就是创建这个全球地图,捕捉到整个大脑细胞的多样性。
RM:什么是最令人兴奋的问题,你认为这个项目能回答吗?
埃尔:我特别感兴趣的理解大脑功能。这是一个垫脚石理解函数。想象你想了解手机是如何工作的。你需要把它分开成碎片。然后你可以了解这些片段连接在一起,然后如何上运行的软件,硬件。挑战我们在人类的大脑是,它是如此难以接近,甚至我们还没有能力理解的部分。现在我们有这样的工具和地图的基因产生的部分,可以直接链接遗传疾病。我认为我们真的做事情会改变。突然,人们将可以访问这个令人难以置信的新水平的分辨率和信息内容相关的任何研究大脑功能或疾病。这将使研究人员可以研究这两件事一起配合和功能。
对我来说,这不是一个干集邮锻炼。这是基本的。就像大脑的谷歌地图,这些信息就可以开始分层上,这样你就可以开始理解系统。
RM:艾伦研究所BICAN内的领导作用。你们组织的方法给财团是什么?
埃尔:把这个项目,我们需要召集的专家在每个不同的组件。这是不同的从这些项目的工作,因为他们如何专注于一种技术。这是因为我们想让阿特拉斯,将会成为下一个社会标准不仅在单细胞基因组学世界,而且在神经影像世界,大多数人类的大脑产生的数据。
导致我们需要能够与这种细胞架构,这是非常微观,宏观架构层面的功能成像信息。这意味着我们需要把一切都在同一个坐标框架。认为它是一个大脑的三维模型,我们可以映射成像和蜂窝数据,您可以使用它来与这些东西。
这种方法已经在神经影像学领域很常见,人们需要能够神经影像数据映射到一个共同的空间。但那是在宏观层面上,我们必须把这个微架构成同一框架。
RM:固有的最大挑战是什么将这些不同形式的数据在一起吗?
埃尔:相关的微观和宏观结构的功能性组织的大脑是一个很大的挑战,因为尽管我们的大脑有很多共性,你的大脑是我不太一样。,你会发现我的大脑的语言区域可能不是很你发现你的大脑的语言区域的地方。预测,这些都是非常具有挑战性的。我们想了解细胞的关系,功能架构。
这就是生物模型的使用一直很强大,因为在一只猕猴,例如,你可以很容易地绘制出功能的大脑区域是通过与不同刺激呈现一种动物,监测响应,然后创建一个移动地图,同样的大脑,从而连接细胞这些功能振荡的关系。
这是人类更难做。大多数的项目将在这些尸检解剖标本,但是我们想看看我们是否可以完成类似的地图在人类的大脑结构和功能建立临终关怀捐赠网络,个人在临终情况可能愿意接受功能成像扫描,然后捐献他们的大脑当他们最终去世。通过这种方式,我们可以做同样的事情——创建一个特定的大脑地图,然后看看细胞组织与功能性映射。
RM:为什么大脑发达细胞复杂性震级高于所有其他器官?
埃尔:神经网络显示,可以实现很多通用的神经元模型。但是大脑组织在这个更复杂的方式。我认为有用的考虑都是大脑的功能。它控制的各个方面——认知,什么人体呼吸、欲望等等,它。背后有很多分工大脑的哪些部分参与不同的过程。我认为这是一个系统建立在进化,越来越复杂的任务。有相当多的功能特异性的不同类型的细胞在大脑的不同部位,为这些功能是必要的。
与此同时,我认为有很多的谜团。为什么任何哺乳动物的大脑皮层需要一百细胞类型?即使在复杂的电路,它的作用不是那么明确,每个细胞组件电路中有不同的功能。也有可能这是一个系统,适用于我们繁殖。你别惹系统如此有效。但是如果你的设计,你不会需要尽可能多的复杂性。我认为这是一个悬而未决的问题。
当然,这些东西都是进化守恒的。对我来说,这是一个关键。如果这些东西没有必要的,他们不会保持在数亿年的进化。我们看到在许多哺乳动物和这个基本的细胞组织似乎非常保守。为什么你会认为复杂性如果不是必要的吗?必须有一个原因我们需要所有这些不同的组件。但谜团是为什么。
Ed Lein Ruairi J Mackenzie,高级科学技术网络作家188金宝搏备用
