几十年来,科学家们认为大脑是一个名副其实的黑色盒子,现在凯瑟琳霍华斯和晓伟壮族正准备打开它。霍华斯,希金斯教授的分子和细胞生物学和李和Ezpeleta艺术与科学学院教授,壮族,科学的教授David b . Arnold Jr .),是一项新的研究的高级作者,创造了一个史无前例的细胞阿特拉斯的小鼠的大脑中一个重要的区域。

使用先进的成像技术,霍华斯、壮族、和他的同事们调查了超过100万个细胞2毫米,由- 0.6 - 2毫米毫米块大脑,不仅发现了超过70种不同类型的神经元,但也发现细胞分布及其各种功能。这项研究是在11月1日《科学》的一篇论文中描述。

“这给我们一个颗粒的细胞,分子,和功能性组织brain-nobody以前结合这三个观点,”霍华斯说。“这项工作本身就是一个突破,因为我们现在理解一些行为的方式我们之前从来没有的,但它也是一个突破,因为这项技术可以用在任何类型的大脑功能”。

的研究源于渴望解决霍华斯所说的基本生物学问题和技术挑战。

“问题是,人们很早就意识到,为了研究大脑,您需要理解它的组件,这些组件是细胞,”她说。“如果你看一块组织和基因表达的细胞,告诉你有多少细胞类型…但你依然是个大问题。”

这个问题,她说,就是这些技术要求研究人员分离细胞的组织,在这个过程中,他们失去了一个宝贵的信息说明细胞组织的组织。

“如果你真的想了解大脑,你需要空间上下文,因为大脑不像肝脏或其他器官,细胞组织以对称方式,”霍华斯说。“大脑的不寻常之处在于,它有这个拓扑结构的神经元…所以我们希望能够看看大脑的部分,看看细胞存在,而且他们在哪里和什么类型的细胞周围。”

霍华斯说,幸运的是壮族的实验室近年来发展的完美工具job-multiplexed error-robust荧光原位杂交,或简称为MERFISH。

风暴的发展,后一种超分辨率成像技术,允许研究人员图像单个分子与纳米级分辨率,壮族目标在成像不仅单一类型的分子,但在工作中所有的分子细胞。

“我们不只有一个或两种不同的分子在我们的细胞;我们有数以千计数以万计的基因表达的分子机制,细胞功能,”她说。“我希望能够形象同时所有这些基因,这就是为什么我们开发MERFISH。”

MERFISH方法是通过分配“条形码”细胞的RNA, DNA探针杂交与图书馆代表这些条形码,然后读出来成像来确定个体的RNA分子的身份。许多不同的条形码读出同时经过多次成像。

“惊人的属性的方法是指数标度之间的基因数量可以成像,成像轮的数量,”她说。“如果你想看看10000个基因,你可以试着蛮力的方法,这一次,当然没有人会试试。MERFISH方法是非常强大的,因为它允许我们形象和区分成千上万不同的rna在成像的10轮。”

壮族和他的同事们构建了一个纠错方法到MERFISH为了确保条形码将正确读取。而不是使用所有可能的条形码,一个错误可能导致一个代码被误读为另一个有效的代码,团队选择一个子集的条形码只能误读如果多个错误同时发生,显著降低识别错一个基因的机会。“的主要应用之一,我们发明了MERFISH是确定原位细胞类型,因为不同的细胞类型有不同的基因表达。因此,这些基因表达的概要文件提供了一个定量和程控识别系统的方式,”庄说。”,因为我们可以在完整的组织MERFISH成像,我们可以提供这些细胞类型的空间组织,也是。”

手持MERFISH,霍华斯,壮族和他的同事着手解决这些基本的生物学问题,长期困扰着科学家试图理解大脑是如何工作的。

“有大脑的领域的研究,如皮层,人们注意到细胞组织在一个特定的方式,但有很多我们不知道的大脑区域组织的原则,“霍华斯说。“我们看着的区域在这项研究中,下丘脑,绝对是必不可少的许多功能…它控制口渴,喂养,睡眠,和社会行为像养育和繁殖,但我们不知道如何组织这个结构。”

解开这个谜,霍华斯和壮族MERFISH和另一个称为RNA单细胞测序的方法,它允许公正的量化细胞的基因表达谱。“这不仅允许细胞在下丘脑编目,但是也提供了分子特征的细胞类型和促进基因的选择面板MERFISH成像,”庄说。

基于这些分子签名和其他基因的功能的重要性,同时他们用MERFISH图片超过150个基因在下丘脑视前区识别细胞原位并创建一个空间细胞位置的地图。

“scRNAseq和MERFISH使我们能够识别大约70不同的神经元亚型,其中大多数是未知的“庄说:“和MERFISH成像允许我们另外看到所有70个神经元的空间分布类型,以及那些non-neuronal细胞类型。

“你可以看到的是,有一个精致的空间组织它跳跃却出现在你面前,“庄说。“你能看到彼此相邻的神经元,不仅如此,而是因为我们的图片是分子,您可以识别这些细胞是如何彼此沟通。此外,由于MERFISH成像具有极高的灵敏度,我们能够识别低表达基因对细胞功能至关重要。”

手里拿着这些信息,团队开始着手联系特定的细胞特定的行为,和解决方案的形式基因称为c-Fos,霍华斯和壮族说。

被称为一个“立即早期基因,c-Fos转录增加神经活动期间,霍华斯说,如果研究人员能够跟踪哪些细胞显示增加的基因,他们可以识别细胞被激活在特定的行为。

“所以我们允许一个动物执行一些行为,比如父母,比如当我们观察细胞c-Fos-positive,我们只知道这些细胞是教育行为的一部分,”霍华斯说。“但由于MERFISH,我们知道在这些细胞基因表达。

“我们可以定义哪些细胞是参与一个特定行为的方式,我们不能,”她继续说道。“这是非常精确的,极其定量,我们可以看到这些细胞在哪里……这是一个手机地图,分子图,和一个功能性映射,都在一起。”

除了父母之外,霍华斯、壮族、和他的同事发现了细胞负责其他行为,包括攻击性和交配,而他们发现令人惊讶的共性,也有有趣的差异取决于老鼠父母或处女雄性或雌性。

展望未来,霍华斯和壮族希望进一步探讨下丘脑的结构,包括设计方法来更好地了解细胞彼此连接。

重要研究结果,霍华斯和壮族说这项工作也应该作为协作的力量的一个例子。

“这真的是最好的协作可以希望,”庄说。“我们是两个实验室的专业知识互补很好,而且我们都互相学到了很多。在这一点上,我们感觉有点了解下丘脑,同样凯瑟琳的实验室大量了解MERFISH成像,所以这是一个真正令人兴奋的,有益的过程。”