幾十年來，科學家們一直都認為大腦是一個名副其實的“黑盒子”，但現在莊小威和 Catherine Dulac已經做好了準備，打開它。
這兩位女科學家都在各自的領域取得了卓越的成就——莊小威是著名的華裔女科學家，早年畢業于中國科技大學少年班，34歲時成為了哈佛大學的化學和物理雙學科正教授，是哈佛物理系和化學系少有的雙科教授。2012年莊教授當選為美國國家科學院院士，刷新了美國科學院最年輕華人院士的紀錄。而Dulac也是一位杰出的腦科學領域科學家，她在哺乳動物嗅覺信號分子機制方面獲得了許多重要的突破。
這兩位學者強強聯手，創造了第一個大腦重要區域的細胞圖譜。
相關成果公布在11月2日的Science雜志上，她們利用先進的成像技術，在2mm×2mm×0.6mm的腦塊中檢測了超過100萬個細胞，不僅識別了70多種不同類型的神經元，而且還精確定位細胞所在的位置及其各種功能。
“這讓我們能夠詳細了解大腦的細胞，分子和功能組織——之前還沒有人將這三者結合起來，”Dulac說，“這項工作本身就是一項突破，因為我們現在以前所未有的方式解析了一些行為，但其真正的意義在于，這種技術可以被用于研究大腦任何區域的任何功能。”
研究的出發點
這項研究的出發點是為了回答Dulac提出的基本生物問題，并解決隨之而來的技術挑戰。
“這個問題是很久以前我們就意識到的——為了研究大腦，你需要了解它的成分，而這些成分就是細胞，”Dulac說，“因此，如果你采集了一塊組織，觀察細胞表達的基因，它會告訴你有多少細胞類型......但這仍然會給你留下一個大問題。”
因為這需要研究人員將細胞與組織分離，并且在這個過程中，會丟失一些寶貴的信息，比如細胞如何在組織中組織起來的。
“如果你真的想要了解大腦，那么就需要空間背景，因為大腦不像肝臟或其他器官，細胞以對稱的方式組織。大腦是不同的，它具有神經元的這種拓撲排列方式...所以我們希望能夠看到大腦的一部分，看看那里有哪些細胞，看到它們在哪里以及周圍有哪些類型的細胞。”
幸運的是，近年來莊小威實驗室開發了完美的工具（Multiplexed Error-Robust Fluorescence In-Situ Hybridization，簡稱MERFISH）。這一技術可以在單細胞水平上實現空間分辨的高度多重化RNA分析，打破了目前的技術限制。
MERFISH——重磅技術
隨著STORM（一種超分辨率成像技術）的發展，研究人員可以對具有納米級分辨率的單個分子進行成像，莊小威研究組不僅對單個分子類型進行成像，而且可以對細胞內的所有活動分子進行成像。
“我們的細胞中不是僅僅只有一兩種不同的分子，我們有成千上萬的基因被表達，這一才能完成細胞功能，”莊小威說。“我希望能夠同時對所有這些基因進行成像，這就是我們開發MERFISH的原因。”
MERFISH方法的工作原理是將“條形碼”分配給細胞的RNA，讓它們與DNA探針庫雜交，賦予這些條形碼意義，然后通過成像讀出這些條形碼，確定單個RNA分子的特性。這樣通過多輪成像，就能同時讀出許多不同的條形碼。
“這種方法的一個重要特性是可以讓成像的基因數量和成像輪次數呈指數增長。如果你想分析10,000個基因，你可以嘗試徒手方法，一次做一個，但當然沒有人會嘗試過。MERFISH方法非常強大，因為它可以讓我們成像并區分大約10輪成像中成千上萬不同的RNAs。”
莊小威及其同事在MERFISH中建立了一種糾錯方法，確保正確讀取條形碼。這里有個特異性問題，因為如果出現單個錯誤可能導致一個代碼被誤讀為另一個有效代碼，為此研究人員采用了條形碼子集，只有在多個錯誤同時發生時才會被誤讀，從而大大降低了錯誤識別的可能性。
“我們發明MERFISH的主要應用之一是原位鑒定細胞類型，因為不同的細胞類型具有不同的基因表達譜。因此，這些基因表達譜為細胞類型鑒定提供了定量和系統的方法，”莊小威說，“因為我們可以通過MERFISH成像在完整的組織中做到這一點，我們也可以提供這些細胞類型的空間組織。”
有了MERFISH，她們開始著手解決那些長期困擾科學家的基本生物學問題。
大腦的奧秘
“大腦中有一些區域已經被研究過了，比如皮質，從中科學家們發現細胞是以特定的方式組織的，但是對于很多大腦其它區域，我們還不知道組織原則，”Dulac說，“我們在這項研究中關注的區域，就是下丘腦，這是一個重要的大腦區域，可以控制口渴，喂養，睡眠和社交行為，如育兒和生育，但我們不知道這種結構是怎樣組織的。”
為了解開這個謎團，研究人員將MERFISH與單細胞RNA測序（scRNAseq）結合在一起，從而能對細胞的基因表達譜進行無偏序量化。“這不僅能在下丘腦中分類細胞類型，而且還提供了這些細胞類型的分子特征，并方便MERFISH成像基因組的選擇，”莊小威說。
基于這些分子特征和其他具有重要功能的基因，他們使用MERFISH同時對整個下丘腦視前區域的150多個基因進行成像，原位識別細胞類型，創建細胞所在位置的空間圖。
“scRNAseq和MERFISH能讓我們識別出大約70種不同的神經元亞型，其中大部分是以前未知的”莊小威說，“MERFISH成像使我們另外能夠看到所有70種神經元類型的空間分布，以及非神經類型的空間分布。”
“你可以看到，有一個精密的空間組織，向我們跳躍，還可以看到哪些神經元彼此相鄰......不僅如此，因為我們的圖像是分子的，所以可以確定這些細胞是如何相互通信的。此外，由于MERFISH成像具有非常高的靈敏度，可以識別對細胞功能至關重要的低表達基因。”
有了這些信息，研究團隊著手將特定細胞與特定行為聯系起來，分析一種名為c-Fos的基因。
c-Fos被稱為“immediate early”基因，在神經活動期間增加，因此如果研究人員能夠追蹤哪些細胞出現了這種基因的增加，他們就可以識別在特定行為期間被激活的細胞。
“這樣，我們可以用前所未有的方式來定義哪些細胞參與特定行為，”Dulac說，“這非常精確，極其定量，我們可以看到那些細胞在哪里......所以它是細胞圖，分子圖和功能圖，三者結合在一起。”
除了育兒行為之外，研究人員還發現細胞負責的其他行為，比如攻擊和交配，還有一些有趣的發現：小鼠是父母，還是首次交配，會帶來細胞的差異。
未來，Dulac和莊小威希望進一步探索下丘腦的結構，比如更好的了解細胞如何相互連接的方法。
而且和研究結果一樣重要的是，這項工作也成為合作研究的一個典范。
“這才是我們所希望的最佳合作，”莊小威說，“我們兩個實驗室的專業知識相得益彰，我們彼此都學到了很多東西。”
原文標題：
Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region
