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Cell:开发出BARseq技术,构建出更好的大脑图谱

来源:本站原创 2019-10-24 13:24

2019年10月24日讯/生物谷BIOON/---美国冷泉港实验室Anthony Zador教授及其团队一直在研究大脑回路如何介导和控制复杂的行为,在10年前就着手绘制大脑功能的三个支柱:连接性、基因表达和生理活性。由于尚无有效地做到这一点的技术,他的团队开发出MAPseq,即一种用来绘制不同脑细胞之间的连接图谱并更好地了解它们彼此之间如何相互作用的技术。多年来,Zador和他的实验室持续地改进这种技术。

在一项新的研究中,在博士后研究员Xiaoyin Chen的领导中,Zador实验室介绍了下一代的MAPseq技术:BARseq。这种新技术可用于通过精确地指出神经元所在的位置来扩展大脑图谱。这使得BARseq不仅可以确定神经元的连接,还可以确定其基因表达模式和生理活性,这是MAPseq不能解决的两个难题。相关研究结果发表在2019年10月17日的Cell期刊上,论文标题为“High-Throughput Mapping of Long-Range Neuronal Projection Using In Situ Sequencing”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.09.023。

Zador说:“大脑基本上是一个回路。它是一群相互连接在一起的神经元。为了在神经科学领域取得进步,我们实际上必须能够理解这些神经元如何相互连接,并且在理想情况下必须能够将它们与神经功能的其他方面(如基因表达和神经元活动)联系起来。”

BARseq旨在帮助人们更加接近这一目标。它基于与MAPseq相同的概念,并进行了一些重要的升级。

这些研究人员使用MAPseq给每个神经元标记上一种独特的由遗传序列组成的条形码。通过跟踪大脑中的这些标记,他们可以看到这些神经元在哪里发送消息,然后绘制这些信号在大脑不同区域之间形成的路径。这称为大脑连通性(brain connectivity,也可译为大脑连接性)。

MAPseq存在的问题在于在对这些神经元进行标记的过程中,必须先将这些脑细胞混合在一起,然后分离它们并进行标记,这会导致较差的空间分辨率。这个过程产生了模糊的图谱,这使得科学家们很难观察到神经元如何与特定的大脑功能(比如基因表达)相关联在一起。这种低分辨率还阻止了人们准确地确定神经元在大脑中的位置。

BARseq允许科学家们对神经元进行原位标记,从而解决了这个问题。 Chen说:“因此,基本上,当我们对这些条形码进行测序时,就可以确切地观察到这些神经元在哪里。”

这些研究人员使用BARseq绘制了小鼠大脑听觉皮层中3579个神经元的连接图谱。将连接性模式与基因表达相匹配,可使科学家们表征不同的细胞类型并确定其在大脑中的特定功能。这将被证明是研究神经回路如何形成的一种有价值的工具。

Zador说:“如果我们能有完整的连接图谱,这就可以为理解思想、意识、决策制定以及这些在自闭症、精神分裂症、抑郁症、强迫症等神经精神疾病中如何出现差错奠定基础。”

与其前身一样,BARseq比当前的图谱绘制技术更便宜、更省力且更省时。他的实验室利用它以相对较低的成本在几周内构建出每只动物中成千上万个神经元的连接图谱。

这些研究人员如今正在完善BARseq,以便在突触分辨率下绘制出更清晰更准确的大脑图谱。尽管BARseq可以精确地确定神经连接的起始点,但它只能对其终点提供非常接近的估计。

Zador说:“就目前而言,我可以告诉你一个神经元把它的轴突发送到哪里,但是我不能确切告诉你它与哪些神经元形成突触。我们仍然在目的地没有足够的空间分辨率。不过,我们正在努力解决这一点。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Xiaoyin Chen et al. High-Throughput Mapping of Long-Range Neuronal Projection Using In Situ Sequencing. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.09.023.

2.BARseq builds a better brain map
https://medicalxpress.com/news/2019-10-barseq-brain.html
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