一个超详细的地图控制运动的大脑区域,从老鼠到猴子给人类

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它可能不觉得,但是简单的运动需要数以百万计的不同神经元的共同努力在你的几个地区大脑在200英里每小时,其次是信号从你的大脑脊髓然后移动你的手臂的肌肉收缩。

在细胞水平上,快速运动是一个非常复杂的过程,涉及到人类大脑最喜欢的东西,科学家不完全了解的到来。

现在,第一次,神经元和其他细胞参与地区的人类、老鼠和猴子的大脑控制运动映射在精致的细节。它的创造者,一个大财团由美国国立卫生研究院的神经科学家聚集在一起大脑研究通过推进创新的公司成员(大脑)计划说,这个脑图谱将为整个哺乳动物大脑映射以及更好地理解神秘的大脑,包括那些攻击控制运动的神经元,如肌萎缩性脊髓侧索硬化症,或肌萎缩性侧索硬化症。

阿特拉斯被描述在一个特殊的包17今天发表在《华尔街日报》的文章自然,包括一个单一的旗舰报纸描述整个阿特拉斯。

“在人类的大脑,有超过1600亿个细胞。我们的大脑拥有超过20倍细胞有多人在这个世界上,“曾Hongkui博士说,执行副总裁和艾伦脑科学研究所主任艾伦研究所的一个部门,和一些大脑Initiative-funded研究首席研究员。“理解系统是如何工作的,首先需要构建一个零件清单。然后你必须了解每个部分在做什么,把碎片拼凑起来,重新理解整个系统是如何工作的。这就是我们正在做的大脑。”

大规模的大脑Initiative-funded协作行动包括在全国数十个研究团队一起工作来完成初级运动皮层的细胞图谱,哺乳动物大脑的一部分控制运动。结合十多个不同的技术来定义大脑”细胞类型”在三个不同种类的哺乳动物,由此产生的开放获取的数据收集是迄今为止最全面和详细的地图的任何部分哺乳动物大脑释放。研究者将数以百万计的神经元和其他类型的脑细胞中运动皮层成许多不同的程控类别的实际数量不同的大脑细胞类型在这个区域取决于他们如何被测量,但从几十到100多不等。

研究人员选择了初级运动皮层部分因为它是所有哺乳动物物种人类相似,猴子和老鼠大脑之间有很多差异,我们控制运动的方式非常情形,因为它代表的大脑皮层,哺乳动物大脑的外层,不仅集成了感觉和运动信息,但也给了我们复杂的认知功能。这完成了阿特拉斯是一个大的一步努力创建一个目录或普查的大脑细胞通过细胞主动网络普查,或BICCN。美国国立卫生研究院在2017年推出了BICCN,授予九协作网络资助,三是由艾伦脑科学研究所的研究人员。

细胞像一个人口普查,普查目标目录所有不同类型的脑细胞,它们的属性,它们的相对比例和他们的物理地址的照片一起构成我们的大脑的细胞群。知道“正常”大脑的细胞构成的关键一步理解疾病是什么地方出错了。

“如果我们真的想理解大脑是如何工作的,我们有了它的基本单位。细胞,”Ed Lein博士说,艾伦脑科学研究所的资深研究员、首席研究员在几个大脑行动研究专注于人类的大脑。“这也是临床上重要,因为细胞疾病的轨迹。通过了解哪些细胞是脆弱的在不同的脑部疾病,我们可以更好地理解并最终治疗疾病本身。希望这些研究是通过这个基本的细胞类型的分类,我们可以为理解疾病的细胞基础。”

阿特拉斯的创造者使用几种不同的方法来衡量各种细胞的属性来定义关联和集成这些属性的细胞类型,包括基因的完整细胞开关;细胞的“后生”景观,它定义了如何规范基因;细胞的三维形状;他们的电气性能;以及他们如何连接到其他细胞。单细胞基因表达和表观遗传数据尤其重要,因为研究人员能够使用这些数据集成程控的所有其他数据,创建一个通用框架内的细胞类型进行分类和比较,物种之间。

所需的研究不仅研究人员之间的协作设计和执行实验,但也协调与公众共享的数据导致BICCN atlas项目和其他项目。大脑细胞数据中心,或口舌,艾伦研究所的总部。数据中心,由艾伦脑科学研究所研究员迈克尔•Hawrylycz博士帮助组织BICCN财团和提供一个单点访问研究的数据归档中心在全国各地。

“我们许多的局限性之一在发展中对人类大脑疾病有效的治疗方法是我们不够了解细胞和连接正在受到某种疾病的影响,因此不能和精确定位,我们需要目标,”约翰·Ngai说博士,国家卫生研究院主任大脑倡议。艾伦研究所”发挥了重要作用在协调大脑细胞产生的大量数据普查项目,提供详细的信息类型的细胞构成大脑及其属性。这些信息将最终使神经和神经精神疾病的新疗法的发展。”

艾伦脑科学研究所的科学家们扮演了一个角色在九17个已发表的研究,或共同的六人。艾伦的四个主要学院领导的这个研究探索:

• 如何在初级运动皮层细胞在小鼠比较,人类和狨猴。研究小组发现,大多数大脑运动皮层细胞类型有类似的同行在所有三个物种,物种特异性差异水平细胞的比例,他们的形状和电特性,和个人的基因开关。例如,人类有两倍多的兴奋性神经元抑制性神经元在大脑的这个区域,而老鼠的五倍。研究人员还钻研著名的巨大锥体细胞,巨大的脊髓神经元项目存在于我们,猴子和许多其他更大的哺乳动物,电子记录和捕捉第一个已知的人类巨大锥体细胞,这在ALS退化。老鼠进化相关的神经元基于共享遗传程序,但他们的形状和电性质是完全不同的,还有那些在人类身上。
• 一个更广泛的分析大脑的细胞类型人类的大脑,看着6-layered皮层的第二层和第三层。这些层,皮层总的来说,是更大的,包含一个更大的多样性的细胞在人类和其他灵长类动物和啮齿动物。三管齐下艾伦研究所研究人员使用技术称为Patch-seq测量电特性,基因和3 d形状的几种神经元在这些层组织捐赠的脑部手术患者的样本。这项研究描述这些神经元在人类组织和显示的类型的多样性增加神经元专业人类大脑皮层不同区域之间的交流,包括深入研究人类神经元的专门化类型在阿尔茨海默病,尤其脆弱。
• 最大的收集到目前为止完成brain-wide重建超过1700种不同的老鼠大脑中的神经元。这种形式的3 d neuron-tracing是广泛而复杂的由于细胞的冗长而精致的轴突和树突,但收益率的重要信息远程连接不同的神经元类型通过其轴突乔木到达遥远的大脑区域。艾伦研究所的研究人员发现,这些神经元的轴突乔木极其多样化模式,展示一些与几个主要分支而其他人在大面积传播。例如,一些神经元的轴突结构称为屏状核发送乔木冠状的方式在整个大脑皮层的周长。连接这样的模式是一个关键的特征属性用来帮助大脑细胞类型进行分类。
• 鼠标初级运动皮层的细胞组成,大约500000个神经元排序和其他大脑细胞分为程控类基于基因的套件每个单元开关(转录组)以及细胞的染色体上基因调控修改(“表观基因组”)。使用一系列技术,艾伦研究所研究人员和他们的合作者产生七个类型的转录组和两种类型的外遗传性数据集,然后开发了计算和统计方法将这些数据整合到共享的细胞类型的“进化树”。研究发现成千上万的标记基因和其他特定DNA序列为每个这些细胞类型。