艾伦研究所启动绘制小鼠和猕猴大脑连接图谱项目

　　这些项目旨在通过揭示大脑神经密码背后的逻辑，帮助解开大脑功能和疾病的奥秘。

　　

一个完整的哺乳动物大脑中所有连接的地图可能就在眼前。艾伦研究所的研究人员刚刚启动了三个新项目，在小鼠和猕猴的大脑中构建大而详细的神经元连接图，以期在未来创建这些动物大脑的完整接线图。这些项目由美国国立卫生研究院的大脑研究推进创新神经技术(Brain)倡议资助。

艾伦研究所的研究团队将利用这笔资金:

• 使用电子显微镜绘制10mm³小鼠大脑的精细结构和连接图;

• 运用最新的尖端技术，如BARseq和BRICseq，追踪猕猴大脑中数十万个神经元的远程连接;

• 通过3D形状、电学特性和基因表达来描述脑细胞类型的技术，以更好地理解整个小鼠大脑中不同类型细胞之间的连接。

 

项目一:增强透射电子显微镜技术，以可视化小鼠大脑的脑细胞形状和细胞间连接网络[1]

研究人员将致力于扩展和优化透射电子显微镜(TEM)管道。我们的目标是利用这个管道以120纳米的分辨率对小鼠大脑的整个半球和皮质基底神经节丘脑环进行非常精细的成像，以更好地了解小鼠大脑的功能。然后，研究人员将评估这项技术是否可以用于整个小鼠大脑的成像——这是一项重大成就，可以为全球神经科学提供有价值的路线图。

透射电子显微镜(TEM)是一种技术，其中一束电子束穿过组织样本产生非常详细的图像。“在过去的几年里，越来越清楚的是，大多数大脑的计算实际上都在发生，而不是在孤立的区域，而是在整个大脑的分布式网络中;因此，如果我们真的想要理解这些计算是如何工作的，我们需要看到整个网络，这意味着我们需要看到整个大脑的连接，”艾伦研究所助理研究员Forrest Collman博士说。

副研究员Nuno da Costa博士指出，这对更广泛的科学界的潜在影响是巨大的:“把它想象成每条道路、每座房子和每扇门的‘谷歌地图’。如果做得好，这将是一项永恒的贡献。”

 

项目二:利用条形码连接组学绘制脑细胞如何相互连接[2]

在这个项目中，科学家们将通过追踪轴突和树突伸出并连接到其他脑细胞时形成的蜿蜒路径来绘制全脑连接图。把它们想象成脑细胞的长臂和手指，从细胞体向外辐射，伸向整个大脑的其他细胞，形成网络。研究人员将使用一种被称为BARseq的创新技术来追踪这些复杂的路径，BARseq代表通过测序解决的条形码解剖。

它的工作原理是用独特的RNA条形码标记每个细胞，使其在细胞群中脱颖而出。通过连接每个条形码之间的“点”，你可以追踪到脑细胞——即它的轴突和树突——延伸的位置和距离。

它比其他技术更快、更有效，并且可以很容易地与其他数据相结合。“我们实际上可以在几年内绘制出整个猕猴的大脑图谱，而不是100年。这是主要的动机，”艾伦研究所助理研究员Xiaoyin Chen博士说。

 

项目3:增强Patch-seq管道，以获得更多数据，更快的结果，并连接不同的数据集，以揭示整个小鼠大脑的形式和功能[3]

开发工具将基因定义的细胞类型与全脑电路图联系起来，以了解大脑功能，这一点至关重要。在这个项目中，研究人员将通过扩展和共享技术来连接遗传和电路数据集，这些技术可以测量整个小鼠大脑中两个数据集的共同特征。

具体来说，该项目旨在增强艾伦研究所使用Patch-seq方法生成多维数据的能力，并通过自动化、机器视觉建模和先进的计算技术从全脑图像中捕获神经元的完整结构。该项目的另一个关键目标是与更广泛的研究人员社区分享他们开发的工具，以便该领域的专家能够对整个小鼠大脑的细胞类型和电路的特征做出贡献。

艾伦研究所神经解剖学副主任Staci Sorensen博士说:“我们正在使用更复杂的基于机器学习的方法，在那里你可以创建这些深度神经网络，将形态学描述与转录组学、连接组数据和远程投影数据结合起来。到目前为止，我们对我们得到的结果感到非常兴奋。我认为它在细胞亚类水平上尤其有效。

[1] Researchers and investigators on this project: Nuno da Costa, Ph.D. (Allen Institute); Forrest Collman, Ph.D. (Allen Institute); Clay Reid, Ph.D. (Allen Institute); Karel Svoboda, Ph.D. (Allen Institute); Sebastian Seung, Ph.D. (Princeton); Thomas Macrina, Ph.D. (Princeton); Ilana Witten, Ph.D. (Princeton); Francesco de Carlo (Argonne National Laboratory); Divya Sitaraman, Ph.D. (California State University); Kenneth Colodner, Ph.D. (Mount Holyoke College); Andrew Bellemer, Ph.D. (Appalachian State University)

[2] Researchers and investigators on this project: Xiaoyin Chen, Ph.D. (Allen Institute); Ian Wickersham, Ph.D. (MIT); Gregory Horwitz, Ph.D. (University of Washington); Peter Rudebeck, Ph.D. (Icahn School of Medicine at Mount Sinai)

[3] Researchers and investigators on this project: Tim Jarsky, Ph.D. (Allen Institute); Staci Sorensen, Ph.D. (Allen Institute); Uygar Sumbul, Ph.D. (Allen Institute), Zayd M. Khaliq, Ph.D. (National Institutes of Health)

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