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研究人员期待果蝇了解人类的大脑

2019-05-13 09:12:28 • 来源：

人体神经系统就像一个复杂的电路板。当电线交叉或电路发生故障时，可能会出现精神分裂症或双相情感障碍等疾病。

研究人员期待果蝇了解人类的大脑

很长一段时间以来，科学家们一直在努力放大并确定大脑回路是如何形成的，这样他们就可以学会重新连接麻烦的神经元。

现在，由生物学教授Liqun Luo和生物工程与应用物理学教授Stephen Quake领导的斯坦福大学的研究人员通过制定果蝇嗅觉神经元的详细细胞基因蓝图，向这一方向迈出了重要一步。他们的工作已发表在Cell上。

该研究背后的基本思想是了解相对简单的飞行脑的神经元细胞类型，并识别指导飞行脑中不同类型神经元的精确连线的分子。随着时间的推移，研究人员希望使用类似的方法来研究更复杂的人类大脑细胞组成，甚至有一天甚至可以修复脑部疾病的错误接线。

单细胞RNA测序

回到高中生物学，记住细胞有DNA和RNA。DNA是代表整个生物体蓝图的遗传密码。果蝇是一种人类的模式生物，因为它占我们已知疾病基因的约75%，拥有大约15,000个基因。当然，并非所有基因都是一直表达的。每个单独的细胞表达特定的基因子集，而这些基因又产生一组特定的蛋白质。信使RNA分子携带遗传密码来创建或表达任何特定细胞在任何时间点可能需要的任何蛋白质。

斯坦福大学的研究人员专注于蝇脑的嗅觉，气味和感知象限中的细胞。果蝇是生物学中研究最多的生物之一。先前的实验研究证明，苍蝇的嗅觉系统是一个干净简单的电路，使其成为开发新的遗传技术以探测大脑电路如何接线的理想试验台。苍蝇大脑的气味中心有50种中央处理神经元，它们生长线状细丝以连接50种感觉神经元。每对连接的神经元都可以让果蝇闻到一组气味，而果蝇可以在厨房里检测出无数的水果气味。

为了查看在这些细胞中表达的整个基因库，斯坦福团队使用了Quake开创的方法，使研究人员能够对细胞中的所有信使RNA进行测序。Quake及其合作者开发的单细胞测序技术已被广泛使用，并且是开发人类和小鼠细胞类型综合图谱的国际努力的基础。但博士后学者李红杰和博士生菲利克斯霍恩斯调整了这个过程，使其适用于果蝇，果蝇每个细胞的细胞数量少，信使RNA量少。

通过将Quake的单细胞RNA测序与Luo对果蝇嗅觉回路的详细了解相结合，该团队能够创建第一个蓝图，显示特定基因/蛋白质活性如何与生物体神经系统的至少一个组成部分的生物接线相关联。 。

定义单元格类型

最终，研究人员希望为人类神经系统创建一个蓝图，但他们的第一步必须是识别人类大脑的组成细胞。这尤其具有挑战性，因为虽然细胞可以通过功能，生理学，解剖学和基因表达来定义，但研究人员很难统一这些特性。两个细胞可具有相同的功能但不同的生理学。“人们一直希望单细胞RNA测序有助于解决这个问题，但到目前为止还不容易，”罗说。

首先研究果蝇有所帮助，因为在过去的二十年里，罗和他的实验室已经很好地了解了有机体嗅觉系统的功能，生理和解剖学。虽然研究人员仍在争论人脑中是否有1000或10,000种细胞类型，但罗说我们已经知道果蝇嗅觉系统中细胞类型的数量。这使得这个简单的生物体成为将基因表达与细胞类型难题中的其他部分联系起来并开发最终研究人类大脑的过程的理想试验台。

新的见解

虽然研究人员距离这个目标还有很长的路要走，但他们的发现已经对苍蝇的思想产生了一些有趣的见解。例如，研究人员发现，在发育过程中，当嗅觉神经元选择连接伙伴时，不同神经元类型之间的基因表达是不同的。但随着果蝇成熟，来自不同神经元类型的基因表达模式变得难以区分。“一旦大脑接通，苍蝇就不需要表达那些帮助他们选择连接伙伴的基因，”霍恩斯说。“因此，成年果蝇的基因表达多样性较少。”

最终目标是开发新的强大工具，用于理解连接人脑的遗传蓝图。“通过进一步发展这种方法，我们希望有朝一日能够进行逆向工程，甚至可能修复人脑中的缺陷电路，”李说，他在斯坦福神经科学研究所支持该项目的跨学科工作。

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