研究人員采用新方法研究人類大腦的發(fā)育

蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員正在從干細胞中培養(yǎng)出類腦組織，然后繪制不同大腦區(qū)域中出現(xiàn)的細胞類型以及調(diào)節(jié)其發(fā)育的基因。

人腦可能是整個生命世界中最復雜的器官，長期以來一直是研究人員著迷的對象。然而，研究大腦，尤其是調(diào)節(jié)和指導其發(fā)育的基因和分子開關，并非易事。

迄今為止，科學家們已經(jīng)開始使用動物模型，主要是老鼠，但他們的發(fā)現(xiàn)不能直接轉(zhuǎn)移到人類身上。老鼠的大腦結(jié)構(gòu)不同，缺乏人類大腦典型的皺紋表面。迄今為止，細胞培養(yǎng)在該領域的價值有限，因為細胞在培養(yǎng)皿上生長時往往會散布在大面積上。這不符合大腦的自然三維結(jié)構(gòu)。

繪制分子指紋

由巴塞爾生物系統(tǒng)科學與工程系的 ETH 教授 Barbara Treutlein 領導的一組研究人員現(xiàn)在采用了一種新方法來研究人類大腦的發(fā)育：他們正在生長和使用類器官——毫米大小的三維可以從所謂的多能干細胞中生長出來的組織。

只要這些干細胞接受正確的刺激，研究人員就可以對它們進行編程，使其成為體內(nèi)存在的任何類型的細胞，包括神經(jīng)元。當干細胞聚集成一個小球組織，然后受到適當?shù)拇碳?，它們甚至可以自我組織，形成具有復雜組織結(jié)構(gòu)的三維腦類器官。

在剛剛發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究中，Treutlein 和她的同事現(xiàn)在已經(jīng)在不同時間點非常詳細地研究了大腦類器官內(nèi)的數(shù)千個單個細胞。他們的目標是用分子遺傳學術語來表征細胞：換句話說，將所有基因轉(zhuǎn)錄物(轉(zhuǎn)??錄組)的總和作為基因表達的衡量標準，同時將基因組的可及性作為調(diào)控活動的衡量標準。他們設法將這些數(shù)據(jù)表示為一種地圖，顯示類器官內(nèi)每個細胞的分子指紋。

然而，這個過程會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)集：類器官中的每個細胞都有 20,000 個基因，而每個類器官又由數(shù)千個細胞組成。“這導致了一個巨大的矩陣，我們解決它的唯一方法是借助合適的程序和機器學習，” Treutlein 小組的博士生、該研究的共同主要作者之一 Jonas Fleck 解釋說。為了分析所有這些數(shù)據(jù)并預測基因調(diào)控機制，研究人員開發(fā)了自己的程序。

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