美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的革命性方法,，以獲得小鼠的全腦神經(jīng)元連接圖,。相關(guān)研究成果刊載于10月23日《公共科學(xué)圖書(shū)館·生物學(xué)》雜志上,。
該研究小組由冷泉港實(shí)驗(yàn)室安東尼·扎多教授領(lǐng)導(dǎo),，旨在提供一個(gè)完整的神經(jīng)元連接圖,。目前獲取此種高精度信息的唯一方法,，是利用電子顯微鏡檢查單個(gè)細(xì)胞間的突觸,。但這是一種速度慢,、價(jià)格貴和勞動(dòng)密集型的方法。扎多提出的方法是,，利用高通DNA(脫氧核糖核酸)測(cè)序,，以單個(gè)神經(jīng)元的解析度來(lái)探求神經(jīng)回路的連接。
之前,，美國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在哺乳動(dòng)物的大腦映射連接上已取得一些進(jìn)展,。他們利用注射示蹤染料或病毒的方法，以“中等”分辨率追蹤腦區(qū)的神經(jīng)纖維來(lái)描繪神經(jīng)元連接圖,。其他研究小組則是基于用電子顯微鏡按比例放大的方法,。
扎多表示，他們將以目前現(xiàn)有的高通量基因組測(cè)序儀可讀的數(shù)據(jù)格式,，來(lái)呈現(xiàn)神經(jīng)元的連接,。為此，他們開(kāi)發(fā)了一種被稱為“單個(gè)神經(jīng)元連接條形碼”(BOINC)的新工藝,。
扎多團(tuán)隊(duì)旨在以超越“中等”的精度,，即以一對(duì)獨(dú)立神經(jīng)元間的突觸級(jí)別來(lái)追蹤大腦中的神經(jīng)連接。扎多表示,，正在接受概念論證測(cè)試的BOINC條形碼技術(shù),，可直接觀察到神經(jīng)回路進(jìn)行的計(jì)算。實(shí)際上,，目前大多數(shù)神經(jīng)計(jì)算還無(wú)法在這樣的精度上被理解,，主要是因?yàn)闊o(wú)法在哺乳動(dòng)物身上獲得詳盡的回路信息,。
BOINC方法由三個(gè)步驟組成。首先,，每個(gè)神經(jīng)元都用特定的DNA條形碼標(biāo)定,。僅包含20余個(gè)隨機(jī)DNA“字母”的一個(gè)條形碼，就可標(biāo)定一萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)元,，這個(gè)數(shù)字已超過(guò)了小鼠大腦中存在的神經(jīng)元數(shù)量,。第二步著眼于由突觸連接的神經(jīng)元，并將其條形碼與另一個(gè)聯(lián)系起來(lái),。做到這一點(diǎn)的方法之一是利用一種病毒,，如偽狂犬病病毒，它能跨越突觸移動(dòng)遺傳物質(zhì),。為了共享跨突觸的條形碼,，病毒必須被設(shè)計(jì)成在其基因序列中攜帶這個(gè)條形碼。病毒跨突觸擴(kuò)散后,，每個(gè)神經(jīng)元以條形碼包的形式有效終結(jié),，這個(gè)條形碼包中包含有自身以及來(lái)自突觸耦合伙伴的代碼。第三步則是將突觸連接神經(jīng)元的條形碼連起來(lái),，形成一個(gè)單獨(dú)的DNA片段,，然后用現(xiàn)有的高通量DNA測(cè)序方法讀取。這些雙條形碼序列經(jīng)計(jì)算分析,，就可顯示出大腦突觸接線圖,。
扎多表示，如果BOINC目前正在進(jìn)行的概念論證測(cè)試能獲得成功,，其將提供一個(gè)顯著廉價(jià)和快速的方法來(lái)組裝神經(jīng)元連接體,，甚至是哺乳動(dòng)物復(fù)雜的大腦。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1371/journal.pbio.1001411
PMC:
PMID:
Sequencing the Connectome
Anthony M. Zador, Joshua Dubnau, Hassana K. Oyibo, Huiqing Zhan, Gang Cao, Ian D. Peikon
Connectivity determines the function of neural circuits. Historically, circuit mapping has usually been viewed as a problem of microscopy, but no current method can achieve high-throughput mapping of entire circuits with single neuron precision. Here we describe a novel approach to determining connectivity. We propose BOINC (“barcoding of individual neuronal connections”), a method for converting the problem of connectivity into a form that can be read out by high-throughput DNA sequencing. The appeal of using sequencing is that its scale—sequencing billions of nucleotides per day is now routine—is a natural match to the complexity of neural circuits. An inexpensive high-throughput technique for establishing circuit connectivity at single neuron resolution could transform neuroscience research.
