神经元形状和电生理的大型研究揭示了大脑结构的规则

为了了解我们的大脑，科学家们需要知道大脑的组成部分。这个主题是神经科学不断努力定义大脑的不同组成部分——细胞——的基础。

鼠标的八千万神经元而我们的860亿人，在这些精致的微观结构中进行分类，这可不是一项小壮举。艾伦脑科学研究所的一项新研究今天发表在该杂志上自然神经科学基于神经元的两个重要特征，描述了小鼠神经元类型的大量概况细胞它们的三维形状和电行为。

这项研究产生了迄今为止同类研究中最大的成年实验室小鼠数据集，是艾伦研究所为发现这种疾病所做的更大努力的一部分大脑通过对大脑的大规模探索，发现了美国的“元素周期表”细胞类型。研究人员希望，更好地了解健康哺乳动物大脑中的细胞类型，将为揭示人类大脑紊乱和疾病背后的细胞类型奠定基础。

如果你想想经典的元素周期表，化学元素可以用很多方式来描述和分类:它们的质量，它们的化学性质，它们是不是金属。神经科学家也面临着类似的挑战。一个给定的神经元会有许多不同的个性特征，将其与其他类型的神经元区分开来:它的形状，它的行为，它所启动的独特基因，它在大脑中的位置，它与其他类型的细胞相互作用。

如何定义细胞类型?

艾伦脑科学研究所结构科学执行主任、该研究的资深作者曾宏奎博士说，为了了解单一细胞类型的作用，研究人员需要探索所有这些属性。

“细胞类型是一组彼此具有相似功能特性的细胞，但我们并不了解所有这些特性是什么，”Zeng说。“我们不应该只关注单一功能;我们需要尽可能多地观察这些细胞的特征，并询问它们是否彼此一致。”

在这项研究中，研究小组对小鼠大脑视觉处理部分的神经元进行了分类，找到了几十种不同的脑细胞类型，仔细分析了近2000个神经元的电活动和近500个相同细胞的详细三维形状(也称为形态学)。研究人员还发现，这些新的细胞类型类别与去年发表的一项补充研究的类别一致。在早期的研究中，艾伦研究所的研究人员使用基因表达，或在任何一个细胞中开启的基因列表，将近24,000个脑细胞分为不同的类型。

艾伦脑科学研究所形态学小组的神经科学家斯塔西·索伦森博士说，不同的特征产生了相似的细胞类型组，这一事实给了研究人员信心，他们在分类上走在了正确的道路上。他与内森·古文斯博士和吉姆·伯格博士一起是这项研究的主要作者。索伦森说:“如果我们在一个细胞的多个特性上取得一致，那么我们就可以更有信心，我们已经有了一种生物学上有意义的细胞类型。”

为什么形状和活动很重要

它们的活动和形状也为研究人员提供了线索，让他们了解单个细胞在大脑神经回路的大背景下在做什么。使用脉冲的电信号，即所谓的脉冲或动作电位，是神经元相互交流的一种近乎通用的方式。不同的神经元被调谐以发送和接收不同模式的这种尖峰。

了解这些信号有助于研究人员重建这些神经元如何在电路中与其他神经元连接。它们的形状也提供了线索。

“细胞的形状代表了它与其他细胞的连接方式，”Allen研究所的计算神经科学家Gouwens说。“我们关心细胞是如何相互连接的，因为这就是它们形成处理信息的电路的方式。”

社区数据

研究人员希望，这些公开可用的数据，以及有关脑细胞类型基因表达的数据，都是艾伦细胞类型数据库的一部分，将能够更深入地探索健康和疾病中的特定细胞类型。例如，如果一个研究小组对大脑中特定的疾病相关基因感兴趣，他们可以看到哪些细胞类型开启或表达了该基因，然后探索这些神经元的形状和活动，形成关于该基因如何发挥作用的新假设，以及如果该基因突变或缺失，疾病中可能出现的问题。

艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)的神经科学家伯格领导了一个测量神经元电活动的团队，他说:“他们可以形成一个假设，即基因功能障碍如何改变细胞类型，它如何导致特定的影响。”“这需要大量的数据来获得覆盖，这样人们才能相信这些数据，但我认为我们终于到了那个阶段。”

不偏不倚的方法

为了研究神经元的形态，研究人员首先需要在老鼠大脑中其他神经元和支持细胞的混乱中识别出一个细胞，然后用一种特殊的含染料探针注入这个细胞，在大脑切片中对其进行整体染色。研究小组使用了在艾伦研究所进行基因改造的老鼠，这些老鼠携带的基因使某些神经元在显微镜下发出明亮的颜色，使研究人员更容易挑选出单个神经元。然后，研究人员使用同样的显微镜探针读取细胞的“电活动通过研究它们对不同类型电输入的反应。

由于这些实验是如此的劳动密集型，研究小组通常一次探索一种或几种细胞类型，这些细胞类型通常是根据一个特定的问题选择的。然而，艾伦研究所的研究小组想以一种广泛而公正的方式来解决这个问题，在相同的实验条件下研究来自大脑同一区域的细胞，这样它们就可以更容易地相互比较。

“我们不是在脑海中有一个细胞类型的列表，然后把细胞放入这些类别中，而是让这些类别从数据中浮现出来，”Gouwens说。“我们正在努力扩大范围，然后看看这些数据有什么特点。”