幾十年來，科學(xué)家們一直認(rèn)為大腦是一個(gè)名副其實(shí)的黑盒子 - 現(xiàn)在凱瑟琳杜拉克和小偉莊已準(zhǔn)備好打開它。Dulac，Higgins分子和細(xì)胞生物學(xué)教授，Lee和Ezpeleta藝術(shù)與科學(xué)教授，以及David，David B. Arnold Jr.科學(xué)教授，是一項(xiàng)新研究的高級作者，該研究創(chuàng)造了第一個(gè) - 它是一種小鼠大腦重要區(qū)域的細(xì)胞圖譜。

Dulac，Zhuang及其同事使用尖端成像技術(shù)，在2毫米×2毫米×0.6毫米的大腦塊中檢測了超過100萬個(gè)細(xì)胞，不僅識別了70多種不同的類型神經(jīng)元，但也確定了細(xì)胞的位置和各種功能。該研究在11月1日的“ 科學(xué)”雜志上發(fā)表。

“這讓我們對大腦的細(xì)胞，分子和功能組織進(jìn)行了細(xì)致的觀察 - 之前沒有人將這三種觀點(diǎn)結(jié)合起來，”杜拉克說。“這項(xiàng)工作本身就是一項(xiàng)突破，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在以前所未有的方式理解了幾種行為，但它也是一項(xiàng)突破，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可用于大腦中任何類型的功能。”

該研究的出發(fā)點(diǎn)是為了解決杜拉克所謂的基本生物學(xué)問題以及隨之而來的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“問題是很久以前人們意識到，為了研究大腦，你需要了解它的成分，而那些成分就是細(xì)胞，”她說。“因此，如果你采取一塊組織并觀察細(xì)胞表達(dá)的基因，它會告訴你有多少細(xì)胞類型 ......但這仍然給你留下了很大的問題。”

她說，這個(gè)問題是，這種技術(shù)需要研究人員將細(xì)胞與組織分離，并且在這個(gè)過程中，它們失去了寶貴的信息 - 細(xì)胞如何在組織中組織起來。

“如果你真的想要了解大腦，你需要空間背景，因?yàn)榇竽X不像肝臟或其他器官，細(xì)胞以對稱的方式組織，”杜拉克說。“大腦是不尋常的，因?yàn)樗猩窠?jīng)元的這種拓?fù)渑帕?..所以我們希望能夠看到大腦的一部分，看看那里有哪些細(xì)胞，但也看到它們在哪里以及它們周圍有哪些類型的細(xì)胞。 “

幸運(yùn)的是，Dulac說，近年來莊的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了工作多路錯誤穩(wěn)健熒光原位雜交的完美工具，簡稱MERFISH。

隨著STORM的發(fā)展，一種超分辨率成像技術(shù)，研究人員可以讓研究人員對具有納米級分辨率的單個(gè)分子進(jìn)行成像，莊某將目光放在成像上，不僅僅是單一類型的分子，還有細(xì)胞中的所有分子。

“我們的細(xì)胞中沒有一種或兩種不同的分子;我們有成千上萬的基因被表達(dá)，使分子機(jī)器能夠賦予細(xì)胞功能，”她說。“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“條形碼”分配給細(xì)胞的RNA，將它們與DNA探針庫雜交以代表這些條形碼，然后通過成像讀出它們以確定單個(gè)RNA分子的身份。通過多輪成像同時(shí)讀出許多不同的條形碼。

“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)量之間的指數(shù)縮放，”她說。“如果你想看10,000個(gè)基因，你可以嘗試蠻力方法，一次做一個(gè)，但當(dāng)然沒有人會嘗試過.MERFISH方法非常強(qiáng)大，因?yàn)樗梢宰屛覀兂上窈蛥^(qū)分在大約10輪成像中，成千上萬種不同的RNA。“

Zhuang及其同事在MERFISH中建立了一種糾錯方法，以確保正確讀取條形碼。單個(gè)錯誤可能導(dǎo)致一個(gè)代碼被誤讀為另一個(gè)有效代碼，而不是使用所有可能的條形碼，團(tuán)隊(duì)選擇條形碼的子集，只有在多個(gè)錯誤同時(shí)發(fā)生時(shí)才會被誤讀，從而大大降低了錯誤識別基因的可能性。

“我們發(fā)明MERFISH的主要應(yīng)用之一是原位鑒定細(xì)胞類型，因?yàn)椴煌募?xì)胞類型具有不同的基因表達(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，”莊說過。“因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^MERFISH成像在完整的組織中做到這一點(diǎn)，我們也可以提供這些細(xì)胞類型的空間組織。”

有了MERFISH，Dulac，Zhuang和同事開始著手解決那些長期困擾科學(xué)家試圖了解大腦運(yùn)作方式的基本生物學(xué)問題。

“大腦中有一些區(qū)域已經(jīng)被研究過了，就像皮層一樣，人們注意到細(xì)胞是以特定的方式組織的，但是有很多大腦區(qū)域，我們不知道組織的原則，”杜拉克說過。“我們在這項(xiàng)研究中看到的區(qū)域，即下丘腦，對于許多功能來說絕對必不可少......它可以控制口渴，喂養(yǎng)，睡眠和社交行為，如育兒和生育，但我們不知道這種結(jié)構(gòu)是如何組織的。 “

為了解開這個(gè)謎團(tuán)，Dulac和Zhuang將MERFISH與另一種稱為單細(xì)胞RNA測序的方法相結(jié)合，該方法允許對細(xì)胞的基因表達(dá)譜進(jìn)行無偏序量化。“這不僅允許細(xì)胞類型在下丘腦中編目，而且還提供了這些細(xì)胞類型的分子特征，并促進(jìn)了MERFISH成像基因組的選擇，”莊說。

基于這些分子特征和其他功能重要的基因，他們使用MERFISH同時(shí)對整個(gè)下丘腦視前區(qū)域的150多個(gè)基因進(jìn)行成像，以原位識別細(xì)胞類型，并創(chuàng)建細(xì)胞所在位置的空間圖。

“scRNAseq和MERFISH都能讓我們識別出大約70種不同的神經(jīng)元亞型，其中大部分以前都是未知的”莊說，“MERFISH成像使我們能夠額外看到所有70種神經(jīng)元類型的空間分布，以及非神經(jīng)類型的空間分布。 - 神經(jīng)細(xì)胞類型。

“你可以看到的是，有一個(gè)精致的空間組織 - 它向你跳躍，”莊說。“你可以看到哪些神經(jīng)元彼此相鄰......不僅如此，而且因?yàn)槲覀兊膱D像是分子的，你可以確定這些細(xì)胞是如何相互通信的。此外，由于MERFISH成像具有非常高的靈敏度，我們能夠鑒定對細(xì)胞功能至關(guān)重要的低表達(dá)基因。“

有了這些信息，該團(tuán)隊(duì)著手將特定細(xì)胞與特定行為聯(lián)系起來，解決方案以一種名為c-Fos的基因形式出現(xiàn)，Dulac和莊說。

Dulac說，被稱為“立即早期”基因，c-Fos轉(zhuǎn)錄在神經(jīng)活動期間增加，因此如果研究人員能夠追蹤哪些細(xì)胞顯示基因增加，他們可以識別在特定行為期間被激活的細(xì)胞。

“因此，我們允許動物進(jìn)行某些行為，例如育兒，當(dāng)我們查看哪些細(xì)胞是c-Fos陽性時(shí)，我們知道只有那些細(xì)胞是育兒行為的一部分，”Dulac說。“但是由于MERFISH，我們知道哪些基因在這些細(xì)胞中表達(dá)。

“因此，我們可以用以前無法做到的方式來定義哪些細(xì)胞參與特定行為，”她繼續(xù)道。“這非常精確，極其定量，我們可以看到這些細(xì)胞在哪里......所以它是細(xì)胞圖，分子圖和功能圖，所有這些都在一起。”

除了育兒之外，Dulac，Zhuang和他的同事們確定了其他行為的細(xì)胞，包括攻擊和交配，雖然他們發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的共性，但是根據(jù)小鼠是父母還是處女男性或女性，也存在有趣的差異。

展望未來，Dulac和Zhuang希望進(jìn)一步探索下丘腦的結(jié)構(gòu)，包括設(shè)計(jì)更好地了解細(xì)胞如何相互連接的方法。

與研究結(jié)果一樣重要的是，杜拉克和莊說，這項(xiàng)工作也應(yīng)該成為合作力量的一個(gè)例子。

“這真是人們所希望的最佳合作，”莊說。“我們的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)知識相得益彰，我們彼此都學(xué)到了很多東西。此時(shí)，我們覺得我們對下丘腦有了很多了解，同樣凱瑟琳的實(shí)驗(yàn)室對MERFISH有很多了解成像，所以這是一個(gè)真正令人興奮，有益的過程。“