大规模单单位人类神经生理学、单细胞RNA测序、空间转录组学和手术切除的人脑组织的长期离体组织培养的进展为研究人类神经科学提供了前所未有的机会。今天，小编要和大家分享一篇2024年6月发表在Nature（IF：50.5）上的综述文章，集合了神经外科医生，神经内科医生和基础神经科学家的见解，讨论了外科手术室中的并行突破和人类神经科学的分子基础的临床实践应用。
添加微信
精彩推送不错过
现代神经科学始于保罗·布罗卡对语言皮层的发现，这是基于对人类大脑病变破坏正常认知功能的观察。随后，怀尔德·彭菲尔德继续绘制人类大脑皮层的功能区域，使用术中刺激来定位语言、记忆和运动。随后的机制研究揭示了神经回路形成和功能的基本原理，但我们对语言和高级感觉处理等高级功能领域的调节的理解仍不够。然而，对人类大脑的研究是具有挑战性的，因为缺乏可扩展的工具来操纵细胞行为或基因表达，以及个体的差异性。
作者团队专注于细胞水平功能和结构，试图通过个人经验来推进人类神经科学的新兴。因此，作者不专注于认知和系统神经科学的进展，而是关注如何利用人体组织来研究细胞功能和遗传多样性。
非侵入性成像技术，如功能性磁共振成像（fMRI），提供了重要的洞察整个人类大脑的神经动力学，但在分辨率上是有限的。从历史上看，术中记录中使用的传统钨微电极测量每个电极几个神经元的活动，尽管具有高时空分辨率，但它们的规模有限。然而，大规模了解单个单元活动对于更全面地理解网络功能至关重要。
最近的一个基本进展是Neuropixels探针，它在一个狭窄的柄上有1000个电极，有可能通过一个探针插入记录数百个神经元，克服了非人类灵长类动物神经生理学中现有的局限性，例如来自多个互连大脑区域的大规模脑沟记录或同时广泛的记录，例如用于研究运动规划和控制的主要运动区，补充运动区和基底神经节。一个应用是，使用Neuropixels，我们已经解决了有关语音中的刺激特征编码的问题。
基于形态学、解剖位置和内在生理特性（例如动作电位、静息膜特性和各种通道特性），脑中的细胞被分门别类为特定类型。最近，单细胞转录组学和表观基因组学使研究人员能够捕获更完整的细胞特性谱。对小鼠大脑的完整普查已经完成，报告称成年小鼠大脑包含约5000种细胞类型，人类大脑则包含400多个细胞类型的集群和3,000个亚集群，其中许多显示了神经元和大胶质细胞的区域多样性，这些区域是其各自的前脑，中脑和后脑区域所特有的。如何比较小鼠大脑和人类大脑之间的复杂性人类大脑可能会在未来几年内得到解决。
研究人员正在试图使用单细胞或单核转录组学，染色质状态分析和表观基因组学来表征人脑中细胞类型的多样性，并拓展纳入了脂质，代谢物和蛋白质的测量。然而，由于当前技术的限制，这些研究中没有捕获细胞身份的许多特征，例如亚细胞转录组，以及目前缺乏对细胞类型的共识定义。
图1. 神经科学的中心法则分子细胞状态主要使用死后人体组织标本进行测定。然而，收集和冷冻死后组织所需的时间可能导致基因表达的显著变化。此外，对死后组织的研究没有捕捉到细胞的功能特性，其中许多特性可能是细胞类型定义的基础。因此，允许神经外科标本在培养物中保持存活数天的方法的出现为研究功能性微电路内的细胞类型提供了另一种机会（图2）。
图2. 推进人类大脑研究的核心方法从手术中切除的人脑组织揭示了人类神经元如何利用人类特有的神经生理学（如独特的树突区室化和计算）。例如，对切除组织的转录组学研究功能性地映射了情景记忆任务，将特定的基因表达网络与跨多个频带的记忆形成的振荡特征联系起来。
在培养中研究神经外科切除的组织也为研究亚型特异性突触连接提供了一个窗口，这对于将细胞类型与电路和网络功能联系起来至关重要。此外，将突触连接的分子条形码病毒性地引入离体切片中，然后用下一代单细胞测序技术分析它们的连接性，能使我们能够克服电子显微镜连接体策略中看到的细胞类型身份和规模的限制。
更进一步的，我们需要找到有效的方法将体内细胞活性与细胞类型身份联系起来，例如开发可以在体内记录期间记录细胞位置并体外确定其身份的方法。通过将细胞的位置从体内记录保存到它们的离体位置，可以构建将神经生理学与单细胞测序技术（转录组学、染色质状态分析和表观基因组学）相结合的大型多维数据集。
但是需要考虑离体组织培养方法的几个问题，包括：
（1）从癫痫手术中收集的组织中发现的普遍性;
（2）组织培养中细胞健康的额外技术变化;
（3）孤立地研究微电路的限制。
到目前为止，已经描述了在细胞和网络水平上推进人类神经科学的方法，以及如何将这些维度与典型的大脑功能联系起来。这进一步突出了开发在基因，细胞或电路水平上精确调节神经网络的策略的需求。
基因图谱和精准医学
基因组学、转录组学和蛋白质组学研究为理解许多神经和精神疾病的神经病理学机制确定了一个起点。在血浆水平鉴定的基因组变异解释了许多神经和精神疾病 的一小部分病例。进一步的，基于进入人脑组织的能力，例如通过神经外科切除术，揭示了一组独特的突变，例如那些患有局灶性癫痫的患者，他们接受了切除术以去除病变，从而鉴定了风险基因AKT3、DEPDC 5，以及mTOR通路在神经发育相关癫痫中的作用。
此外，突变负荷信息可以与细胞类型特异性基因表达信息谱整合，以突出选择细胞类型对致病突变的脆弱性的模式。其中一个例子是将TREM2鉴定为阿尔茨海默病的遗传风险因素。
细胞类型特异性分子可及性
基因治疗提供了一种直接修复或替换缺陷基因的方法，这种方法非常适合单基因疾病。AAV载体可以感染许多细胞类型，显示出低免疫原性，并且能够长期表达引入的转基因，而不需要整合到宿主染色体中。神经病学的一个成功例子是脊髓性肌萎缩症，这是一种由SMN1或SMN2突变引起的破坏性神经退行性神经肌肉疾病。然而，目前临床试验中使用的大多数AAV具有非常广泛的靶向性，因此开发细胞类型特异性AAV变得越来越重要。AAV衣壳的工程化和细胞类型特异性增强子元件的鉴定提高了AAV载体的特异靶向性和跨物种的适用性。
人类基因组项目最具变革性的经验教训之一是，为了能够快速共享数据和知识，科学界需要采用无障碍的数据共享平台和数据浏览器，以共同的参考格式组织数据。类似的努力也开始围绕细胞分类法的建议进行组织，但在目前的数据生产速度下，更迫切需要加快采用支持云的数据存储库和集成分析和注释工具，包括大型语言模型。这种分析的重点必须不仅包括细胞类型和状态的定义，而且还包括表型，而不是参考分类，以及为比较染色质可及性的表观遗传数据集开发可比工具。
第二个关键问题是，科学方法必须从根本上改变，从单一研究者驱动的项目转向社区驱动的努力，涉及基础科学研究人员，计算科学家，医生科学家和医生的伙伴关系将激发跨尺度和跨模型询问人类神经科学问题的项目。
添加微信
精彩推送不错过
参考文献
Barritt, S.A., DuBois-Coyne, S.E. & Dibble, C.C. Coenzyme A biosynthesis: mechanisms of regulation, function and disease. Nat Metab 6, 1008–1023 (2024). https://doi.org/10.1038/s42255-024-01059-y.
