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科學家們早就意識到為了研究大腦，就必須了解組成大腦的細胞。如果獲取一塊大腦組織，研究組織中細胞表達的基因，這告訴大腦組織中存在多少種細胞類型，但是這仍然會留下一大大問題：為了研究這些細胞表達的基因，需要將它們從大腦組織中脫離下來，然而，這會丟失寶貴的信息—它們是如何在組織中組裝在一起的。因此，人們想要真正地理解大腦，就需要大腦中的細胞所在空間環境。不同於肝臟或其他器官的是，大腦的不同尋常之處在於大腦中的細胞以一種對稱的形式進行組裝，因此在研究研究一塊大腦組織時，應當不僅能夠觀察那里有哪些細胞，而且還能夠觀察它們在哪里，它們周圍有哪些類型的細胞。
幸運的是，美國哈佛大學的莊小威（Xiaowei Zhuang）教授及其團隊近年來開發出一種稱為MERFISH（Multiplexed Error-Robust Fluorescence In-Situ Hybridization）的單分子成像技術（Science, 2015 , doi:10.1126/science.aaa6090）。
在一項新的研究中，通過使用MERFISH，莊小威團隊與哈佛大學的Catherine Dulac教授合作，著手解決那些長期困擾著試圖理解大腦運作方式的科學家們的問題。相關研究結果發表在2018年11月2日的Science期刊上，論文標題為「Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region」。
圖片來自Wikimedia Commons。
Dulac說，「大腦中有一些區域已被研究過了，比如皮層，在那里，人們注意到細胞是以一種特定的方式進行組裝的，但是有很多大腦區域，我們仍然不知道它們的組裝原理。我們在這項研究中探究的區域，即下丘腦，在多種功能中起著不可或缺的作用……它可以控制口渴、餵養、睡眠以及養育子女和生育等社會行為，但是我們不知道這種結構如何組裝在一起。」
為了解開這個謎團，Dulac和Zhuang將MERFISH與另一種稱為單細胞RNA測序（scRNAseq）的方法相結合。莊小威教授說，「這不僅允許確定下丘腦中存在的細胞類型，而且還提供了這些細胞類型的分子特徵，並有助於篩選出一組用於MERFISH成像的基因。」
基於這些分子特徵和其他具有功能重要性的基因，這些研究人員利用MERFISH通過下丘腦的整個視前區中150多個基因進行成像分析，以便在原位鑒定出存在的細胞類型並且針對細胞所在的位置構建出一種空間圖譜。他們利用scRNAseq和MERFISH鑒定出大約70種不同的神經元亞型，它們中的大多數是之前未知的。此外，MERFISH成像還允許他們觀察這70種經元亞型的空間分布以及非神經元細胞類型的空間分布。
利用這種信息，這些研究人員著手將特定細胞與特定行為相關聯在一起，所採取的解決方案在於一種稱為c-Fos的基因。
作為一種立即早期基因（immediate early gene），c-Fos的轉錄在神經活動期間增加，因此如果能夠追蹤哪些細胞中的這種基因的轉錄在增加，就能夠鑒定出鑒定出在特定行為期間被激活的細胞。
Dulac說，「因此，我們允許動物執行一些行為，比如養育子女，當我們觀察哪些細胞是c- fos陽性時，我們就知道僅那些細胞參與養育子女行為。但是多虧了MERFISH，我們知道了哪些基因在這些細胞中表達。」
她繼續說道，「因此，我們能夠以一種我們之前無法做到的方式確定哪些細胞參與一種特定的行為。這是非常精確的和量化的，我們能夠觀察這些細胞在哪里……因此，它是一種細胞圖片、分子圖譜和功能圖譜。」
除了養育子女之外，Dulac、Zhuang及其同事們還發現細胞負責其他行為（包括攻擊性和交配）的細胞。
展望未來，Dulac和Zhuang希望進一步探究下丘腦的結構，包括設計更好地了解細胞如何彼此連接在一起的方法。
參考資料：
Jeffrey R. Moffitt1,2,3,4,*, Dhananjay Bambah-Mukku1,4,5,*, Stephen W. Eichhorn et al. Molecular, spatial and functional single-cell profiling of the hypothalamic preoptic region. Science, Published Online: 01 Nov 2018, doi:10.1126/science.aau5324.
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