幾十年來,科學(xué)家們認(rèn)為大腦是一個(gè)名副其實(shí)的黑色盒子,現(xiàn)在凱瑟琳霍華斯和曉偉壯族正準(zhǔn)備打開它。霍華斯,希金斯教授的分子和細(xì)胞生物學(xué)和李和Ezpeleta藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院教授,壯族,科學(xué)的教授David b . Arnold Jr .),是一項(xiàng)新的研究的高級(jí)作者,創(chuàng)造了一個(gè)史無前例的細(xì)胞阿特拉斯的小鼠的大腦中一個(gè)重要的區(qū)域。

使用先進(jìn)的成像技術(shù),霍華斯、壯族、和他的同事們調(diào)查了超過100萬個(gè)細(xì)胞2毫米,由- 0.6 - 2毫米毫米塊大腦,不僅發(fā)現(xiàn)了超過70種不同類型的神經(jīng)元,但也發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分布及其各種功能。這項(xiàng)研究是在11月1日《科學(xué)》的一篇論文中描述。

“這給我們一個(gè)顆粒的細(xì)胞,分子,和功能性組織brain-nobody以前結(jié)合這三個(gè)觀點(diǎn),”霍華斯說。“這項(xiàng)工作本身就是一個(gè)突破,因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在理解一些行為的方式我們之前從來沒有的,但它也是一個(gè)突破,因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以用在任何類型的大腦功能”。

的研究源于渴望解決霍華斯所說的基本生物學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

“問題是,人們很早就意識(shí)到,為了研究大腦,您需要理解它的組件,這些組件是細(xì)胞,”她說。“如果你看一塊組織和基因表達(dá)的細(xì)胞,告訴你有多少細(xì)胞類型…但你依然是個(gè)大問題。”

這個(gè)問題,她說,就是這些技術(shù)要求研究人員分離細(xì)胞的組織,在這個(gè)過程中,他們失去了一個(gè)寶貴的信息說明細(xì)胞組織的組織。

“如果你真的想了解大腦,你需要空間上下文,因?yàn)榇竽X不像肝臟或其他器官,細(xì)胞組織以對(duì)稱方式,”霍華斯說。“大腦的不尋常之處在于,它有這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)元…所以我們希望能夠看看大腦的部分,看看細(xì)胞存在,而且他們?cè)谀睦锖褪裁搭愋偷募?xì)胞周圍。”

霍華斯說,幸運(yùn)的是壯族的實(shí)驗(yàn)室近年來發(fā)展的完美工具job-multiplexed error-robust熒光原位雜交,或簡(jiǎn)稱為MERFISH。

風(fēng)暴的發(fā)展,后一種超分辨率成像技術(shù),允許研究人員圖像單個(gè)分子與納米級(jí)分辨率,壯族目標(biāo)在成像不僅單一類型的分子,但在工作中所有的分子細(xì)胞。

“我們不只有一個(gè)或兩種不同的分子在我們的細(xì)胞;我們有數(shù)以千計(jì)數(shù)以萬計(jì)的基因表達(dá)的分子機(jī)制,細(xì)胞功能,”她說。“我希望能夠形象同時(shí)所有這些基因,這就是為什么我們開發(fā)MERFISH。”

MERFISH方法是通過分配“條形碼”細(xì)胞的RNA, DNA探針雜交與圖書館代表這些條形碼,然后讀出來成像來確定個(gè)體的RNA分子的身份。許多不同的條形碼讀出同時(shí)經(jīng)過多次成像。

“驚人的屬性的方法是指數(shù)標(biāo)度之間的基因數(shù)量可以成像,成像輪的數(shù)量,”她說。“如果你想看看10000個(gè)基因,你可以試著蠻力的方法,這一次,當(dāng)然沒有人會(huì)試試。MERFISH方法是非常強(qiáng)大的,因?yàn)樗试S我們形象和區(qū)分成千上萬不同的rna在成像的10輪。”

壯族和他的同事們構(gòu)建了一個(gè)糾錯(cuò)方法到MERFISH為了確保條形碼將正確讀取。而不是使用所有可能的條形碼,一個(gè)錯(cuò)誤可能導(dǎo)致一個(gè)代碼被誤讀為另一個(gè)有效的代碼,團(tuán)隊(duì)選擇一個(gè)子集的條形碼只能誤讀如果多個(gè)錯(cuò)誤同時(shí)發(fā)生,顯著降低識(shí)別錯(cuò)一個(gè)基因的機(jī)會(huì)。“的主要應(yīng)用之一,我們發(fā)明了MERFISH是確定原位細(xì)胞類型,因?yàn)椴煌募?xì)胞類型有不同的基因表達(dá)。因此,這些基因表達(dá)的概要文件提供了一個(gè)定量和程控識(shí)別系統(tǒng)的方式,”莊說。”,因?yàn)槲覀兛梢栽谕暾慕M織MERFISH成像,我們可以提供這些細(xì)胞類型的空間組織,也是。”

手持MERFISH,霍華斯,壯族和他的同事著手解決這些基本的生物學(xué)問題,長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家試圖理解大腦是如何工作的。

“有大腦的領(lǐng)域的研究,如皮層,人們注意到細(xì)胞組織在一個(gè)特定的方式,但有很多我們不知道的大腦區(qū)域組織的原則,“霍華斯說。“我們看著的區(qū)域在這項(xiàng)研究中,下丘腦,絕對(duì)是必不可少的許多功能…它控制口渴,喂養(yǎng),睡眠,和社會(huì)行為像養(yǎng)育和繁殖,但我們不知道如何組織這個(gè)結(jié)構(gòu)。”

解開這個(gè)謎,霍華斯和壯族MERFISH和另一個(gè)稱為RNA單細(xì)胞測(cè)序的方法,它允許公正的量化細(xì)胞的基因表達(dá)譜。“這不僅允許細(xì)胞在下丘腦編目,但是也提供了分子特征的細(xì)胞類型和促進(jìn)基因的選擇面板MERFISH成像,”莊說。

基于這些分子簽名和其他基因的功能的重要性,同時(shí)他們用MERFISH圖片超過150個(gè)基因在下丘腦視前區(qū)識(shí)別細(xì)胞原位并創(chuàng)建一個(gè)空間細(xì)胞位置的地圖。

“scRNAseq和MERFISH使我們能夠識(shí)別大約70不同的神經(jīng)元亞型,其中大多數(shù)是未知的“莊說:“和MERFISH成像允許我們另外看到所有70個(gè)神經(jīng)元的空間分布類型,以及那些non-neuronal細(xì)胞類型。

“你可以看到的是,有一個(gè)精致的空間組織它跳躍卻出現(xiàn)在你面前,“莊說。“你能看到彼此相鄰的神經(jīng)元,不僅如此,而是因?yàn)槲覀兊膱D片是分子,您可以識(shí)別這些細(xì)胞是如何彼此溝通。此外,由于MERFISH成像具有極高的靈敏度,我們能夠識(shí)別低表達(dá)基因?qū)?xì)胞功能至關(guān)重要。”

手里拿著這些信息,團(tuán)隊(duì)開始著手聯(lián)系特定的細(xì)胞特定的行為,和解決方案的形式基因稱為c-Fos,霍華斯和壯族說。

被稱為一個(gè)“立即早期基因,c-Fos轉(zhuǎn)錄增加神經(jīng)活動(dòng)期間,霍華斯說,如果研究人員能夠跟蹤哪些細(xì)胞顯示增加的基因,他們可以識(shí)別細(xì)胞被激活在特定的行為。

“所以我們?cè)试S一個(gè)動(dòng)物執(zhí)行一些行為,比如父母,比如當(dāng)我們觀察細(xì)胞c-Fos-positive,我們只知道這些細(xì)胞是教育行為的一部分,”霍華斯說。“但由于MERFISH,我們知道在這些細(xì)胞基因表達(dá)。

“我們可以定義哪些細(xì)胞是參與一個(gè)特定行為的方式,我們不能,”她繼續(xù)說道。“這是非常精確的,極其定量,我們可以看到這些細(xì)胞在哪里……這是一個(gè)手機(jī)地圖,分子圖,和一個(gè)功能性映射,都在一起。”

除了父母之外,霍華斯、壯族、和他的同事發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞負(fù)責(zé)其他行為,包括攻擊性和交配,而他們發(fā)現(xiàn)令人驚訝的共性,也有有趣的差異取決于老鼠父母或處女雄性或雌性。

展望未來,霍華斯和壯族希望進(jìn)一步探討下丘腦的結(jié)構(gòu),包括設(shè)計(jì)方法來更好地了解細(xì)胞彼此連接。

重要研究結(jié)果,霍華斯和壯族說這項(xiàng)工作也應(yīng)該作為協(xié)作的力量的一個(gè)例子。

“這真的是最好的協(xié)作可以希望,”莊說。“我們是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)知識(shí)互補(bǔ)很好,而且我們都互相學(xué)到了很多。在這一點(diǎn)上,我們感覺有點(diǎn)了解下丘腦,同樣凱瑟琳的實(shí)驗(yàn)室大量了解MERFISH成像,所以這是一個(gè)真正令人興奮的,有益的過程。”