2023年10月，《科学》《科学进展》《科学转化医学》期刊同时发表了一共21篇论文，报道了迄今为止最大、最详细的人类和非人灵长类动物大脑细胞图谱[
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2]。此项合作成果由美国和欧洲的多个大型神经科学家团队完成。该项研究还对人类大脑中3300种不同细胞进行了分类。2023年12月，在《自然》期刊同时发表的10篇系列论文中，一个相关研究合作小组确定了5300多种细胞类型，并在成年小鼠大脑超过3200万细胞的脑图谱上精确定位了这些细胞[
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4]。这项研究为推动神经科学领域的发展带来了巨大希望，并提供了新的工具和见解，这对于解开大脑奥秘和寻找神经疾病治疗方法至关重要。
多篇论文的资深作者、美国华盛顿大学神经外科-检验医学和病理学系兼职教授、美国华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所高级研究员Ed Lein表示：“以这种前所未有的分辨率了解人类大脑，有助于揭示哪些细胞类型最容易受到神经系统疾病引起的特定突变的影响。它最终应指向新的治疗方法，并为我们提供对人类这一物种的新认识。”
这项开创性科学研究主要得到了美国国立卫生研究院“推进创新神经技术脑研究（BRAIN）计划”的支持，该计划于2014年启动，耗资30亿美元，旨在开发工具和技术来理解和绘制人类大脑[
5]。BRAIN计划-细胞普查联盟（BICCN）成立于2017年，最初目标是为小鼠生成一个全面的三维大脑细胞参考图谱[
6]。研究人员完成了烦琐细致的分类和绘图工作，为绘制新的脑图谱奠定了基础。
自19世纪初期，科学家开始使用显微镜来观察脑组织，此后的一个多世纪里，科学家主要根据脑细胞的形状（如星形胶质细胞或锥体皮质细胞）或活动（如快闪中间神经元）对其进行分类。最近，神经科学家基于基因和蛋白质表达推导出其他的细胞分类方案。然而，这些方法仅限于对细胞的逐个研究。Lein指出，人脑中有860亿个神经元，尝试对这些神经元进行分类始终是“一项极具挑战的任务，需要技术突破”。
这一突破主要来自基因组学领域过去十年取得的成就。在21世纪第二个十年，对单个细胞的脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）进行测序成为可能[
7]。这一进步不仅使科学家能看到细胞中的所有基因，而且可以看到所有的基因读数，即将DNA代码转录为用于组装蛋白质的RNA分子的信息，这些信息统称为转录组。
同时，测序能力呈指数级增长，极大地提高了检测效率，使科学家能够以相对较快且成本低廉的方式获得单个大脑中单个细胞的转录组信息——每天检测量可达约100万个，而单次成本不到1000美元[
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10]。通过使用统称为空间转录组学的技术，神经科学家现在可以将单个细胞的转录组信息整合成一个分层组织的图谱，详细列出大脑中的细胞类别、亚类别和成千上万的细胞簇。这些技术中，最常见的是多重纠错荧光原位杂交（MERFISH）技术，它们通常依赖于脑组织切片的荧光成像。在这些切片中，多个能发出彩虹色荧光的探针紧紧附着在高度特异的RNA片段上。检测到的颜色组合反映出细胞的独特类型，可用于以单细胞分辨率直接观察和计数1 cm
2脑组织切片上数百到数千个基因的10亿量级的RNA转录本[
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利用这种单细胞空间转录组学技术，BICCN的研究人员在2021年报道了他们基于小鼠、狨猴和人类运动皮层的细胞普查工作（
图1）以及小鼠运动皮层的细胞级图谱[
12]。研究结果表明，虽然这三个物种的许多细胞类型是保守的，但也存在大量物种特定细胞类型的基因表达谱，这反映了进化的特异性。
基于工程与计算机科学的其他技术进步，本研究的大部分工作已实现自动化，并依靠先进的软件进行数据收集和分析，大大加快了发现过程。Lein说，“在短短几年时间里，我们从小鼠的脑区研究拓展到了完整的小鼠大脑图谱，并绘制出了质量很高的人类大脑草图。这确实凸显了这些方法的变革性和可扩展性。我们观察整个器官的能力正在迅速提升。”
空间转录组学只是神经元分类的开端。研究人员目前正在研究如何根据各种生物化学特征对细胞进行进一步分类。例如，这些特征可包括细胞表观基因组[
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14]——对细胞DNA和染色体的集体化学修饰决定了细胞的遗传信息表达——并且接近于获得细胞蛋白质组，即细胞的表达蛋白质目录。研究人员还致力于对不同细胞使用的神经递质和神经肽进行描述。这些对脑图谱的补充信息可以用来解释大脑内部化学信号的产生和传递，这是脑回路运行和大脑整体功能的基础[
5]。
艾伦脑科学研究所所长、2023年《自然》期刊报道完整小鼠脑图谱论文[
3]的通讯作者Hongkui Zeng表示，人类和小鼠脑谱图中的一个主要发现是，细胞的遗传特性与其空间位置存在深层联系。Zeng称，这种联系为了解不同大脑区域的进化历史及其协作方式提供了线索。为帮助其他研究人员对小鼠大脑的研究，新的图谱通过一个可搜索在线平台向公众开放，研究人员可使用生成式人工智能工具ChatGPT进行查询[
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17]。
2023年10月发表的一篇人类脑图谱论文对人类大脑和几种非人灵长类动物（黑猩猩、大猩猩、猕猴和狨猴）大脑的细胞和分子特征进行了比较，发现人类与非人灵长类动物的大脑皮质的细胞类型、比例和空间组织明显相似[
18]。不同物种脑皮层细胞的基因表达表明，人类基因表达中相对较小的变化会导致神经元连接和突触功能的变化，这可能为人类大脑的超强学习能力以及对不断变化的环境条件的适应能力铺平道路。
还有一篇论文研究了人类大脑结构的细胞多样性。虽然神经科学家的研究主要集中在负责记忆、学习、语言和其他功能的大脑外部皮层上，但报道的研究表明，大多数细胞多样性存在于进化历史更悠久的大脑深层结构中[
19]。Lein表示，这些发现并不令人惊讶。他说，“大脑皮层是大脑中非常复杂的部分，但它实际上是一个重复的计算单元，可接受输入并且能够输出。另一方面，大脑的下部控制着我们的行为，包括呼吸、食欲、睡眠等非常基本的行为。”
虽然BRAIN计划的主要目标是开发用于大脑研究的工具，但许多研究人员已经在探索如何将经典基因组学与细胞普查和全脑图谱相结合，努力找到人类疾病的根本原因和治疗方法。例如，全基因组关联研究发现，有数十种基因似乎与人类神经和精神类疾病有关。BICCN多篇论文的第一作者、加利福尼亚大学旧金山分校（美国加利福尼亚州旧金山市）神经学教授、发育与干细胞生物学项目主任Arnold Kriegstein表示，科学家很快就能将这些基因绘制到发育中大脑的高分辨率图谱上，以便更好地了解它们是在哪里表达以及处于发育的哪个阶段。Kriegstein称：“在自闭症或精神分裂症等疾病的特体发病阶段，我们可以确定需要对哪些脑区进行检查。我们还能识别哪些细胞类型具有易感性，以及它们如何受致病遗传变异的影响。”
其他研究人员正在开发精准医疗工具，旨在通过基因靶向技术，针对精神系统疾病涉及的特定细胞类型进行治疗。另一位BICCN多篇论文的通讯作者、索尔克生物研究所计算神经生物学实验室（美国加利福尼亚州拉荷亚市）的研究教授Margarita Behrens表示：“那些试图替换掉某种缺陷基因的基因治疗，通常是以一种非常宽泛的方式完成的。”Behrens称，由脑图谱指导的基因治疗技术越来越接近于能够将病毒靶向特定细胞类型，这有助于避免更广泛的病毒感染可能产生的毒性副作用。
根据Zeng的说法，该合作小组的研究人员当前报道的单细胞空间转录组学工作为捕捉单个细胞的其他特征奠定了基础，这些特征包括蛋白质表达、细胞生理学、细胞功能以及细胞的连接方式。她表示，从这些方面了解大脑的复杂性，将为科学家和临床医生提供关于神经和精神类疾病以及如何开发治疗这些疾病的个性化治疗方法的重要见解。
Behrens、Kriegstein、Lein、Zeng和他们BRAIN计划的同事的下一个重要研究方向是“BRAIN计划-细胞图谱网络（BICAN）”项目。该项目已于2022年启动，计划为期5年、耗资5亿美元[
20]。此次合作的目标是生成人类大脑在整个生命周期中的细胞类型完整参考图谱，并绘制出导致各种大脑疾病的细胞相互作用图。Lein表示，近乎完整的人类和非人灵长类动物大脑图谱预计将在未来的3~4年内绘制完成。Lein称，“对人类大脑的研究还远未结束。我们现在的图谱规模是以往的上千倍，现在我们面临的挑战是如何将其全面扩展。我们正迈入一个令人振奋的新阶段。”
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