Nature Methods：新方法以单细胞分辨率绘制神经连接

以单细胞分辨率了解神经元连接仍是神经科学领域的一大挑战，现有的方法在绘制长距离神经回路及保留细胞类型信息方面仍然受限。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员近日开发出一种名为Connectome-seq的方法，通过在神经元上添加分子“条形码”，以前所未有的速度和分辨率绘制了小鼠大脑中数千个神经元之间的连接图。

这种方法不仅能加深我们对大脑中复杂网络布局的理解，还能揭示大脑如何运作、功能障碍发生时的状况以及神经退行性疾病如何进展。

通讯作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的赵伯譞（Boxuan Simen Zhao）教授表示：“在设计计算机时，你需要了解中央处理器的电路。如果不知道所有元件是如何连接在一起的，你就无法理解它的功能，也无法在故障发生时进行修复。我们研究大脑的方式也是如此。” 

“我们的技术能够以单突触分辨率同时绘制数千个神经连接——这是现有技术所不具备的能力。人们可应用它来了解神经退行性疾病中的回路功能障碍，并开发基于神经回路的治疗干预措施。”

这项研究成果于3月12日发表在《Nature Methods》杂志上。

传统的大脑图谱绘制是一个漫长而繁琐的过程，需要将大脑切成极薄的切片，使用不同类型的显微镜进行成像，并尝试重建神经通路。尽管基于测序的新技术可以同时标记数千个神经元，但大多数技术只能追踪神经元到达的范围，而无法确定其连接的具体伙伴。

此次新开发的Connectome-seq方法融合了改造的突触蛋白、RNA条形码以及并行的单细胞核测序和单突触小体测序技术，能够以单突触分辨率绘制神经元连接。

特化的蛋白质携带神经元胞体的RNA条形码，并将其锚定在突触（两个神经元之间的连接点）上。研究人员随后分离出突触连接点，并利用高通量测序技术读取哪些RNA条形码最终连接在一起，进而揭示神经元之间的连接情况。

“我们将神经连接问题转化为测序问题。想象一堆气球。每个气球上都贴满了独特的条形码标签，有些标签会一直延伸到绳子的末端。如果两个气球的末端被绑在一起，那么它们的条形码就会在连接处相遇。然后我们剪开绳结，对每个结上的条形码进行测序，” 赵伯譞说。

“如果同一个结上既有气球A的条形码，又有气球B的条形码，我们就知道这两个气球是绑在一起的。我们在大脑中开展类似的工作，只不过是在数千个神经元细胞的层面上。有了这些信息，我们就可以重建一张精密的图谱，以展示神经元之间的连接关系。”

研究人员利用Connectome-seq技术绘制了小鼠脑桥-小脑回路中1,000多个神经元的图谱，该回路连接大脑的两个不同区域。他们揭示了此前未知的连接模式，包括此前未发现成年大脑中直接相连的细胞类型之间的连接。

“随着实验室的不断改进，我们有信心进一步完善这项技术，最终实现绘制整个小鼠大脑连接图谱的目标，” 赵伯譞谈道。

他指出，由于Connectome-seq技术速度快，可分析大范围区域，因此它有望通过比较健康大脑与不同疾病阶段的大脑，加速对神经退行性疾病、精神疾病及其他神经系统疾病的研究。 

“基于测序的方法大大降低了时间和成本，这让我们能够观察到不同大脑之间的差异。我们甚至有可能在症状出现之前，就发现哪些位置的连接发生改变，这也许是大脑中最脆弱的区域，” 赵伯譞说。

“例如，如果我们能够准确找到阿尔茨海默病中引发灾难性连锁反应的薄弱环节，那么是否能够针对性地加强这些连接，从而减缓或阻止疾病的进展？”