一项新的研究揭示了一种看待大脑神经元的整体方法
一种新的视觉神经元透镜正在为哺乳动物大脑更完整的“家谱”奠定基础。来自艾伦研究所下属的艾伦脑科学研究所的一组研究人员在该杂志上发表了一项迄今为止同类研究中规模最大的研究细胞今天揭示了一种新的小鼠神经元分类，这种分类依赖于从每个细胞中提取的多种类型的数据。
就像生物学家描绘进化树一样，进化树的分支代表不同物种的发展以及它们之间的关系，一些科学家现在将目光转向细胞画另一种族谱。这棵树描述的不是栖息在地球上的数百万个物种，而是组成实验室老鼠金桔大小的大脑的数百万个神经元。
在DNA测序出现之前，科学家们用视觉线索来定义物种。动物有皮毛或羽毛吗?喙、爪子、蹄子?在对大脑的早期研究中也是如此——在过去的100年里，神经科学家已经意识到，我们的神经元和其他神经系统对人类的健康至关重要大脑细胞有各种各样的形状和大小。但对这些细胞的详细视觉描述未能揭示许多关于不同神经元如何执行不同工作的见解，更不用说单个细胞在疾病中如何变化了。
艾伦研究所的研究小组使用了一种特殊的技术，从老鼠大脑中处理视觉信息的部分的数百个单个神经元中，同时捕捉到脑细胞的3d形状、其独特的电学特性以及它开启的一组基因。由于这项技术从每个单个细胞中捕获了多种类型的数据，研究人员可以使用该数据集将神经元分类为不同类型，这是他们建立神经元“周期表”的更大努力的一部分哺乳动物的大脑．这些数据和细胞分类方案可以将其他只关注一个特征的研究联系起来，从而对不同脑细胞及其关系有更全面的了解。
通过将脑细胞分类，或细胞类型，并研究这些类型的细胞如何以及在哪里工作，研究人员希望更多地了解大脑作为一个整体是如何工作的，以及它在疾病中可能出现的问题。
艾伦脑科学研究所电生理学副主任加布·墨菲博士说:“越来越清楚的是，在一些疾病中，大脑特定部位的特定类型的神经元存在缺陷。”“我们对存在的不同类型的神经元以及它们的独特之处了解得越多，我们就越能理解，如果你在一种或多种类型的疾病中存在脆弱性，那么会出什么问题。”
墨菲和艾伦脑科学研究所的曾宏奎博士(执行副总裁兼主任)一起领导了这项研究;Nathan Gouwens，博士，助理研究员;以及神经解剖学副主任Staci Sorensen博士。
“这项研究基本上为其他神经科学家提供了一个‘查找表’，这样如果你只知道一个神经元的一个属性的信息，你就可以推断出其他属性，”爱德华·卡拉威博士说，他是索尔克生物研究所的教授，也是艾伦脑科学研究所的顾问，他没有参与这项研究。“我们需要这种关联研究来弄清楚大脑的真正细胞类型，这样我们就可以开始描述它们。这个数据集可以实现这种链接，毫无疑问，它将成为未来发现的重要资源。”
艾伦研究所的研究人员专注于抑制性神经元，这是一种抑制其他神经元活动的细胞。他们的研究将这些神经元分为28种不同的类型。科学家们以前没有意识到这种程度的多样性存在于视觉抑制神经元中。
揭示大脑中的新模式神经科学家利用神经元的形状、它与其他神经元连接的数量和类型、它发送和接收的电信号种类以及它打开的基因等特征来将细胞分类为细胞类型。大多数研究只关注这些属性中的一个。艾伦研究所的研究人员使用一种被称为Patch-seq的技术从单个细胞中捕捉到三个:神经元的三维形状或形态;研究人员用玻璃电极将其“贴片”到细胞上，以记录其独特的电学性质或电生理学;以及它开启的基因序列，或者它的转录组谱。
Patch-seq是一种复杂的技术。为了生成这个大型数据集，艾伦研究所的团队建立了一个“管道”，以确保他们的结果是标准化和高质量的。在目前的研究中，该团队从4200多个神经元中捕获了电和基因表达数据。由于构建完整的三维形态是耗时的，他们集中追踪了517个神经元。这一步是由玩免费神经科学游戏Mozak的玩家输入的，这款游戏是由艾伦研究所和华盛顿大学游戏科学中心的研究人员开发的。
这是神经科学的一个分支在21世纪的转折，该分支可以追溯到19世纪的科学家，他们首次描述了许多神经元通过它们的形状。
索伦森说:“通过这种方法，我们现在通过将转录组学添加到已经存在了100多年的研究神经元形态的方法中，来了解大脑的一些新东西。”“使用转录组学来标记细胞类型是革命性的。当我们以这种方式对细胞进行分类时，我们能够揭示我们以前没有注意到的模式。”
在短期内，艾伦研究所的研究人员希望使用他们的神经元查找表来揭示有关正在进行的大脑接线图绘制项目的更多信息。这项由iarpa支持的合作项目的研究人员正在对一立方毫米的老鼠大脑进行异常详细的成像和测绘。在这个小小的大脑立方体中存在的脑细胞的三维形状可以映射回Patch-seq数据，使科学家们能够收集关于如何的新见解大脑细胞类型相互连接形成电路。
