蓝脑计划将“大脑地图”拓展到更多神经元类型

　　经过四年的研究，EPFL的蓝脑项目分享了他们的小鼠大脑3D数字细胞图谱的丰富版本，其中包括更多的神经元类型。

　　

                

经过四年的研究，EPFL的蓝脑项目分享了他们的小鼠大脑3D数字细胞图谱的丰富版本，其中包括更多的神经元类型。这种新方法可以扩展到任何其他类型的细胞，并为构建小鼠大脑的组织水平模型提供了资源。

了解大脑细胞类型的特定组成有助于理解每种细胞类型作为网络一部分的作用，是解决任何大规模神经电路模拟的必要条件，也是蓝脑精确构建整个小鼠大脑数字模型的长期目标的关键。然而，全面了解大脑的细胞组成是一项极其复杂的任务，这不仅是因为文献中固有的巨大变异性，还因为组成大脑的大脑区域和细胞类型众多。

2018年，EPFL的蓝脑项目提出了第一个细胞图谱模型，该模型提供了对小鼠大脑组成的估计。蓝脑细胞图谱(BBCAv1)的发布标志着3D数字图谱首次提供了小鼠大脑所有700多个区域的主要细胞类型、数量和位置的信息。

它提供了神经元的密度，相关的结缔组织细胞(胶质细胞)及其每个区域的亚型，所有这些都以可导航和动态的格式呈现，允许研究人员贡献新的数据。“当时，它填补了我们对小鼠大脑96%区域知识的巨大空白，”蓝脑创始人兼主任Henry Markram教授说。

近年来，新的数据集和工具已经出现，提供了基于细胞内表达的特定蛋白质的细胞类型组成。虽然相对来说比较快，但这些分子标记技术本身并不总是能获得关于神经元形态(形状)和电生理特性的直接可用信息。然而，描述细胞的形态电特性是非常耗时的，不适合全脑扫描。因此，有必要将所有可获得的各种数据集汇集起来，以便创建一个具有尽可能详细信息的连贯框架。

               

用于改进细胞图谱和生产BBCAv2的新工具和方法发表在《PLOS Computational Biology》杂志的两篇配套论文中

 

揭示抑制性神经元密度

一类值得注意的神经元是抑制性神经元，其数据很少，用于建立BBCAv1的方法需要改进。抑制性神经元抑制其他神经元的放电，并在大脑中包装和传递信息中起着至关重要的作用。它们就像神经元的标点符号，让大脑理解涌入的信息。

从文献中收集了抑制性神经元计数的估计，并建立了一个框架，以便将它们一致地组合到细胞图谱中。使用脑切片图像，在没有文献数据的区域也估计了抑制性神经元密度。总的来说，作者揭示了小鼠大脑中20%的神经元是抑制性的。

“这为将抑制性神经元细分为更细粒度的类别奠定了基础，”蓝脑的首席作者Dimitri Rodarie说，“并使神经科学界能够确定现有知识可以通过额外约束来增强的领域。”

跨物种对神经元模型有帮助

从艾伦脑科学研究所挖掘的信息提供了基本数据，允许根据分子、形态和电生理特性创建小鼠大脑中的神经元目录。然而，为了模拟大脑区域，更重要的是整个大脑，不仅需要对大脑细胞组成的全面理解，而且还必须创建详细的神经元生物物理模型。

在之前的一篇文章中，蓝脑基于幼年大鼠体感觉皮层神经元的形态电数据建立了模型。由于数据来自不同的物种——小鼠和大鼠——以及不同的发育阶段，作者包括了标准化步骤，以便将模型映射到艾伦研究所的细胞数据。这一步不仅允许他们为神经元模型分配分子身份，而且还可以用详细的神经元模型填充整个小鼠皮层。

“我们的算法有助于在物种之间建立相似性，但也扩展了我们对研究较少的大脑区域的理解，”蓝脑的主要作者Yann Roussel解释说，“这个模型将允许实验学家了解区域组成，并允许计算神经科学家在他们的模拟中放置定义的细胞类型。”

用于改进细胞图谱和生成BBCAv2的新工具和方法，发表在PLOS Computational Biology的两篇配套论文中，已扩展到将已识别的类型映射到抑制性神经元亚类，为更精确的脑组织硅成像重建铺平了道路。用于升级蓝脑细胞图谱的数据、算法、软件和结果都是公开的。

蓝脑分子系统团队的负责人Daniel Keller说:“这个版本包含了四年的研究，并包括来自生物数据的额外约束，使结果更易于模拟。使用它进行模拟可以让我们确定需要进一步改进的领域，从而允许每一代都进行改进。”

“这个项目旨在让科学界参与进来，为开放获取数据、软件和工具做出贡献。我们预计BBCAv2将被用于多种目的，”作者总结道。