研究院资助的研究代表了一种构建大脑的独特方法

马萨诸塞大学阿默斯特分校的一位神经科学家获得了国家神经疾病和中风研究所的 310 万美元拨款，用于通过使用一个不寻常的课题：海蛞蝓的大脑来增进对人类大脑发育的了解。

这种微小的无脊椎动物是研究大脑发育的理想候选者，因为它的大脑中增加了可数数量的神经元——这个数量在不到八周的时间里增加了 40 多倍，达到总共约 10,000 个神经元——同时动物也在生长和发育。生物学教授兼 麻省大学神经科学项目主任保罗·卡茨解释说 。与人脑中大约 1000 亿个神经元相比，这个数字从出生到亡相对稳定，但数量太多(并且连接太多)，无法用现有技术进行映射。

通过创建海蛞蝓大脑发育过程中每个神经连接的一系列完整图谱或连接组，这项研究将揭示神经元如何添加到功能性神经回路中。

卡茨说：“许多神经系统疾病是由发育过程中出现的问题引起的，但人们对如何将新神经元添加到生长回路中缺乏基本的了解。” “我们的研究结果将为我们提供前所未有的视角，让我们了解整个大脑的神经元突触网络如何随着新神经元的添加而发生变化。”

卡茨将与 哈佛大学杰夫·利希特曼的实验室合作，研究裸鳃类软体动物 Berghia stephanieae， 这是 卡茨实验室饲养的一种海蛞蝓。 卡茨大约三十年来一直在研究其他海蛞蝓物种，但六年前搬到麻省大学阿默斯特分校后，他 转向了 伯格亚。

“随着动物年龄的增长，[海蛞蝓]的大脑实际上会变得更大，并且会增加更多的神经元，但对你我来说，情况并非如此，”卡茨说。“人类出生时，比亡时拥有更多的神经元。我们一直在失去神经元。事实上，有选择地修剪神经元及其连接是人类大脑发育的正常部分。”

卡茨和团队计划绘制海蛞蝓所有神经元及其连接(即所谓的 连接组 )的图谱，因为通过将处于不同发育阶段的动物的大脑切割成成千上万个难以置信的薄片来添加新的神经元，30纳米厚。研究人员将使用麻省大学应用生命科学研究所(IALS) EM 核心设施中的块面串行扫描电子显微镜拍摄切片 图像，然后重建所有神经元及其在不同发育阶段的连接。这项艰巨的任务将需要机器学习中的新方法来对样本中的神经元和突触进行分类。

“这项工作——研究发育性连接组——在五年前还只是科幻小说，”卡茨说。“现在技术、人工智能发展得足够快，以至于我们有一个祈祷。拍摄这些图像并将它们重新组合起来需要一千个人年的时间。

“这是构建大脑的一种不同方式，”卡茨补充道。“这是唯一可以进行此类分析的系统，以了解神经元如何随着时间的推移添加到大脑中。”

研究人员还将利用单细胞RNA测序技术来检查每个神经元的身份。“你用特定标签对每个细胞进行条形码编码，然后当你对 RNA 进行测序时，来自每个细胞的所有 RNA 都是分开的。所以你正在了解每个细胞表达哪些基因，”卡茨解释道。

仅在另外两种动物中构建了发育连接组：线虫， 秀丽隐杆线虫，它在生长时不会增加神经元;果蝇(Drosophila melanogaster)从幼虫到成虫要经历变态，因此幼虫的神经系统会重新排列。海蛞蝓与这些例子不同，因为随着动物变大，神经元不断增加。

这项研究是了解人类大脑发育的重要一步。

“我们希望了解的是规则——这是如何发生的?” 卡茨说。“我们正在探索，以便弄清楚在更复杂的系统中要问什么问题。”

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