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一个国际研究小组利用来自两名男性捐献的全部大脑和来自第三名男性的单个脑半球构建出高分辨率的人类大脑三维基因表达图谱。相关研究结果于2012年9月19日在线刊登在《自然》期刊上。在美国西雅图市艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)研究员Michael Hawrylycz的领导下,研究人员将来自大约900个精确切割的大脑切片的转录数据---利用基因芯片技术收集到的---组装在一起,然后将转录数据与在切片之前对捐献的大脑的核磁共振成像扫描结果进行叠加,从而构建出人大脑三维基因表达图谱。这些图谱是免费向公众提供的,详情可参见网址:http://www.brain-map.org/,而且能够有助于科学家们测试关于大脑功能、疾病和进化方面的假设。艾伦脑科学研究所神经科学家Ed Lein说,“这些数据本身并不提供理解大脑如何工作方面的所有答案。然而,我们希望它们促进人类大脑研究以便理解大脑的复杂化学性质和细胞组成。”比如,研究特定疾病的科学家们能够利用成像技术,如功能性核磁共振成像,来评估相关的大脑区域,然后查询这些新的图谱来鉴定在这些区域表达的基因,而这可以通过一种简单的颜色编码的手册来显示基因表达的相对水平来实现。当前,研究人员还是依赖于对小鼠大脑的零碎研究。
(来源:搜狐科学)美国艾伦脑科学研究所的科学家耗资5500万美元,使用1个冷冻的人类大脑和192个大脑切片,正在从细胞基因水平上全面绘制一个系统详尽的人类大脑图谱,而不是传统的大脑解剖结构图,届时将有超过2万个基因都会在此大脑图上得到精确的展示。该项目预计将在2012年完成,到时科学家就能揭示出我们的神经网络是如何工作的,并希望该图谱能够帮助人们更好的理解精神疾病的遗传因素。1、在艾伦脑科学研究所,一个新鲜的人类大脑还有待处理,从此大脑可以看出不到15个非常明显的分区。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021537_141966_1607864_3.jpg[/img]2、科学家在解剖脑干和小脑。此大脑样本是在捐赠者死后几小时里保存下来的。死亡后的大脑很快衰竭,科学家得很快切片,冷冻好每一个样本。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021538_141967_1607864_3.jpg[/img]3、科学家展示大脑组织的衰竭,如此图上的脑干,并用干冰冷冻这些样本。在温暖环境下,大脑组织中的核酸分解,细胞膜快速溶解。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021539_141968_1607864_3.jpg[/img]4、此大脑在冷冻之前得切成1厘米厚的薄片,之后用蓝色羟甲基化纤维素固化膜包埋好,再用干冰冷冻。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021540_141969_1607864_3.jpg[/img]5.大脑切片一旦被冷冻,专家就将它切成只有几微米厚的透明切片。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021541_141970_1607864_3.jpg[/img]6.冷冻的大脑厚片保存在冷冻温度下,直到它们被进一步切片,最后切成的薄片一直到能探测到RNA为止,以寻找特定的基因表达。此方法叫“原位杂交”,显示每一个细胞中的DNA片段是否处于兴奋之中。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904021542_141971_1607864_3.jpg[/img]
细胞转染获得了解活体大脑神经元内部运作机制的途径可为我们提供大量有用的信息:它的电活动模式,甚至在某个指定时刻基因的开关图谱。然而达到这一目标却是一个极其艰苦的任务,它被认为是掌握一门艺术;由于非常难于学习当前世界上只有少数实验室能够对其进行实践操作。然而这一情况将很快会得到改变:来自麻省理工学院和佐治亚理工学院的研究人员开发出一种新方法实现了在活体大脑中自动化寻找和记录来自神经元的信息。研究人员利用单细胞检测计算机运算控制单个机器手臂,以相比人类试验操作人员更高的精确度和速度鉴别和记录下了活体小鼠大脑中的神经元。相关论文发布在5月6日的《自然方法》(Nature Methods)杂志上。新的自动化程序无需数月的培训,质粒构建提供了长期以来寻求的关于活细胞活动的信息。利用这一技术,科学家们能够鉴别出大脑中数千种不同的细胞类型,绘制出它们相互联系的图谱,并找出疾病细胞与正常细胞的差异。这一项目是由麻省理工学院生物工程学和大脑与认知科学副教授Ed Boyden与佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Craig Forest协作完成。“我们的研究团队从开始就一直从事跨学科研究,这使得我们能够将精密机械设计的原理带到活体大脑研究中,”Forest说。他的研究生Suhasa Kodandaramaiah是文章的主要作者,作为访问学者已在麻省理工学院开展了两年的研究工作。这一技术尤其适用于研究诸如精神分裂症、帕金森氏症、自闭症和癫痫等大脑疾病。Boyden说:“在所有这些情况下,对单个细胞的电及回路特征进行分子描述……一直难以实现。如果我们真的能够描述活体大脑特异细胞中疾病改变分子的机制,就有可能发现更好的药物靶点。”Kodandaramaiah、Boyden 和 Forest着手于研究让一种已有30年历史的技术——全细胞膜片钳(whole-cell patch clamping)自动化。全细胞膜片钳技术是通过将一个微小的空心玻璃吸管与神经元细胞膜接触,然后打开细胞膜上一个小孔来记录细胞中电活动的方法。通常一个研究生或博士后需要数月的时间才能学习掌握这项技术。 Kodandaramaiah花了大约四个月的时间学习手动膜片钳技术,这让他认识到这一技术非常难以掌握。“当我相当出色地掌握了这一技术时,我感到虽然它是一种艺术形式,也可将其变为一套定型任务,并通过机器人执行决策。”为此,Kodandaramaiah通过动物实验,可以微米精确度将一个玻璃吸管置入麻醉小鼠大脑。随着移动,吸管监测了细胞的电阻抗性——测量电流出吸管的难度。如果周围没有细胞,电流动且阻抗低。一旦吸管尖头接触到细胞,电流将无法流动,阻抗会升高。