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艾伦脑科学研究所发布全球第一个活人脑细胞数据库,有助揭开人脑认知机制

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对于神经科学家来说,新鲜的人脑组织是极为稀缺的资源。在手术中,活的人类脑组织通常会被丢弃,现在,这些活脑组织将被添加到一个公开数据库,帮助解开人类认知的工作原理。

西雅图艾伦脑科学研究所的研究人员编制了包括大型数据库和脑图谱在内的一系列神经科学工具,10月25日,他们宣布发表第一份人类活脑细胞的数据报告。

人脑研究大多数是通过扫描志愿者大脑或尸体的脑组织切片来获取功能脑成像。这些图像和信息都被录入到一个数据库,以便研究人员分析单个活细胞或神经元,确定细胞行为的生物学基础。到目前为止,这个数据库只收录了老鼠大脑的信息。

利用手术中的人脑样本进行小规模的试验性研究始于1970年代,但现在艾伦研究所发表的大量人脑数据可以说是迄今为止最广泛、最系统的努力,已经被作为研究人类大脑独特性的重要辅助手段。

人类大脑的独特性

经患者同意,西雅图地区的神经外科医生向研究所捐献了一小块原本会被丢弃的大脑组织。这些组织是大脑皮层的外层,手术中通常需要剪开患者的部分这些组织以到达大脑深层的病变区。

大脑皮层负责处理更高层次的活动,包括深层的内省和抽象的推理,这些都被认为是人类独有的。艾伦研究所总裁兼首席科学家Christof Koch说:“找出老鼠和人类大脑之间的细节区别将有助于我们了解是什么使我们人类成为所有物种中独特的存在。”

第一批人类数据包括来自36位捐献者的300种不同类型神经元的电属性,以及其中一部分蜘蛛形状的3D重建和电行为模拟的计算模型。数据库还包括来自另外3名捐献者大脑的16000个单细胞的基因表达图谱。现在,世界各地的科学家可以将这些数据与来自老鼠的数据进行比较,从而得出人类与其他动物大脑关键差异的假设。

利用活人脑细胞进行研究的先驱、阿姆斯特丹自由大学神经学家 Huib Mansvelder 说:“这个数据库是科学界的一个重要贡献。”例如,他和他的同事们已经证明,人类神经元比老鼠神经元的电容低,这使得它们能够更快地启动和传递信息。人类神经元也具有更复杂的形状。他说:“艾伦研究所的工业化研究模式正在将这一领域的研究推向一个全新的水平。”

人脑活组织相比老鼠脑组织活力更久

来自捐赠者的活脑组织块约为一个方糖大小——通常和整个老鼠大脑的体积相当。这些组织被切成300-350微米厚的薄片,细胞活力可保持3天,这给了科学家们足够的时间进行测量研究。相比之下,老鼠神经元在几个小时内就会退化。

目前,世界范围内只有少数几个研究中心有新鲜的人脑组织可用,部分原因是直到最近都很少有脑外科医生去研究新鲜人脑组织。但是,生物研究工具的快速发展增加了这类研究的科学回报。

艾伦研究所计划在数据库中增加人脑细胞的数量以及从每个细胞中获取的信息量。它的最终目标是囊括完整的RNA图谱,以分析人脑中活跃的基因。下一阶段还将分析细胞间的连接。不过,这项研究并不能像对老鼠大脑的研究那样全面,因为外科手术只能切除活人大脑的极小部分脑组织,而老鼠的整个大脑都可以被检查。

细胞完整性

关于人脑活组织还有另外一个问题。尽管这些细胞看起来很健康,但它们来自外科手术的切除肿瘤或治疗严重癫痫,这引起了人们的担忧,即它们的属性可能因其病理环境而改变。不过,Mansvelder的团队比较了癌症患者和癫痫患者的大脑皮层租住,发现这些组织非常相似。艾伦研究所的实验结果也与之一致。

使用人类的皮质组织还有另一个优势。神经外科手术前后,匿名捐赠者的大脑功能信息可以被很好地记录备案,而这些信息可以与细胞性质相关联。9月20日至23日,在匈牙利的欧洲神经科学协会的一次会议上,Mansvelder公布的一项数据表明智商与细胞激动阈值有关——智商越高,阈值越低。

Mansvelder,匈牙利塞格德大学的神经科学先驱Gábor Tamás,以及来自以色列瑞典瑞典研究团队将与艾伦研究所合作,进一步开发人脑数据库。美国国家卫生研究院在10月23日宣布为这一计划拨款1940万美元。

原文发布时间为:2017-10-30
本文作者:马文
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原文链接:艾伦脑科学研究所发布全球第一个活人脑细胞数据库,有助揭开人脑认知机制

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