我们比以往任何时候都更接近于在微观层面绘制出整个大脑的图谱。作为美国国立卫生研究院“BRAIN 倡议细胞普查网络”（National Institute of Health’s BRAIN Initiative Cell Census Network）的一部分，全球数百名神经科学家最近对超过 3,000 种人类大脑细胞类型进行了分类，并于今日在四种《科学》杂志（Science journals）上发表了近二十篇论文。这种高度集中的细节关注可能会解开关于这个复杂器官的许多谜团，例如我们的大脑发生了什么，使我们区别于其他灵长类动物。
“这是对人类大脑中所有不同种类细胞的首次大规模、详细描述，”位于西雅图的艾伦研究所（Allen Institute）的助理研究员 Rebecca Hodge 说，她参与了此次论文集中的多项研究。“她希望这个大脑图谱能为科学家们探索各种脑细胞如何影响健康和疾病提供一个社区资源。”
加州大学尔湾分校医学院（University of California, Irvine School of Medicine）神经病学教授 Mark Mapstone（未参与这些研究）将关于大脑的新数据比作一本游客指南。“想象一下，在陌生的城市里，如果只有市中心主要街道的大致地图，与拥有一张详细地图相比，后者不仅延伸到郊区，还包括所有高速公路、双向和单向街道、小巷、人行道、路标和交通信号灯的位置、限速以及咖啡馆和餐馆的位置，”他说。“显然，后者将使导航和理解这座城市容易得多。”这一系列初步研究展示了大脑图谱在生物学和医学中的三个主要用途。
不断进化的脑
人类大脑图谱可以教给我们关于我们的进化历史。今天在《科学》（Science）杂志上发表的一项研究，利用单核 RNA 测序技术，测量了人类和包括黑猩猩、大猩猩在内的其他五种灵长类动物的单个脑细胞的基因表达。在这种方法中，科学家从一块组织中分离出单个细胞，将它们破裂以暴露里面的遗传信使，然后使用类似于微型条形码的标签来识别这些物质。“这是这些论文中使用的一些主要技术，而且这项技术只存在了过去十年，”Hodge 说。获得这种基因图谱使研究人员能够将细胞簇归类为特定类型。
我们的细胞组成和组织与我们近亲的细胞相似。然而，最大的差异似乎出现在一个称为颞中回的大脑区域，该区域参与处理语义记忆和语言。与其它物种相比，人类在该区域具有更高数量的投射神经元。更重要的是，研究人员强调了促进突触可塑性的基因表达差异，这是神经元强化大脑连接的能力。这一特征是学习和记忆的重要组成部分，它可能解释了人类如何发展出复杂的认知技能。
人类内部也存在一些差异。另一项研究发现，在人类的免疫细胞小胶质细胞（microglia）以及深层兴奋性神经元（参与大脑远距离区域之间的通信）中差异最大。研究人员尚不确定原因——一种理论是，深层兴奋性神经元发育较早，更容易受到可能使其基因模式多样化的环境因素的影响。“每个人的大脑在很大程度上是相似的。即使我们拥有相同的构建模块，但微小的差异才是关键，”艾伦研究所（Allen Institute）高级科学家、该研究的合著者 Jeremy Miller 说。“我们现在开始了解这些变化有多重要，并弄清楚是什么让我们人类如此独特。”
动物模型
由于人类大脑与其它哺乳动物有很多共同特征，神经科医生经常使用小型老鼠大脑来研究疾病。Miller 说，一个问题是，老鼠不会自然地患上人类常见的神经退行性疾病。例如，想要研究阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）的科学家，需要通过基因改造来诱发小鼠出现老年人常见的大脑病变。这需要对大脑细胞类型如何协同工作以及它们在疾病背景下如何变化有全面的了解。
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许多关于老鼠的大脑研究集中在新皮质（neocortex），这是负责高级认知功能的部分。人们可能会合理地认为，大脑的细胞复杂性大部分出现在这里。但似乎并非如此。在一项创建整个成年大脑细胞图谱的早期研究中，神经科学家发现在进化上较老的结构（如中脑，参与运动、视觉和听觉）以及后脑（控制呼吸和心率等重要身体功能）中存在高度多样性。在皮层下区域，似乎还存在一类称为“泼溅神经元”（splatter neurons）的细胞簇，它们控制着本能行为和生理功能。在动物模型中复制这些特定大脑区域的复杂性，可能有助于更好地识别人类疾病的细胞起源。
个性化医疗
想象一下，未来治疗方案都能根据个人的具体需求量身定制。要实现这一点，科学家将使用个人的基因图谱，而不是体重或年龄等特征，来指导任何医疗决策。临床医生还可以利用这些基因信息来识别潜在疾病的风险，并提供早期预防措施。
“详细的大脑图谱可以帮助我们了解大脑功能正常的状态，从而最大化促进大脑健康的大脑细胞和通路，”Mapstone 说。“如果我们知道这些细胞是如何组织的，那么解决大脑疾病和促进大脑健康会更容易。”
医生们已经在使用个体的基因信息来评估患者是否适合某种癌症治疗，或找到合适的药物剂量。这可能很快就会包括对神经系统疾病的测试。一项研究分析了 42 个大脑区域中 110 万个神经元细胞，识别出特定的神经元细胞类型——主要位于基底神经节（参与成瘾行为的区域）——这些细胞类型与 19 种神经精神疾病和特征有关。这些疾病包括精神分裂症、双相情感障碍以及酒精和烟草使用障碍。
Miller 说，这个项目是推动个性化医疗研究朝着正确方向迈出的一步，尽管他警告说，这只是实现这一目标众多努力中的一项。
Miller 和 Hodge 对此表示乐观，认为在未来五年内，随着其他团队完成类似的癌症项目，将会有其他版本的人类大脑图谱问世。
但也有可能我们永远无法获得完整的全貌。尽管 Miller 认为五年时间是合理的，但他表示，科学总有可能出现新技术，挖掘出关于大脑的意想不到的新发现。“我们永远可以做得更多，”他说。
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