如果你偶然发现一台收音机或一台电脑，却不知道它是如何工作的，你很可能首先会想了解它的组成部分是什么——它的零部件是什么。你的下一步可能是确定每个部件实际上做什么，并注意哪些部件与其他部件相连。
这就是10月31日发表在《自然》杂志上的两项相关研究中理解大脑的方法。第一项研究利用基因活动的差异来识别小鼠大脑中不同的细胞类型，发现的类型比以前所知的更多。第二项研究仔细观察了一些已识别的细胞类型，试图找出它们的作用，结果表明它们在控制运动方面发挥着两种截然不同的作用。
第一项研究（链接）由博斯吉卡·塔西奇（Allen脑科学研究所）领导，旨在对小鼠大脑皮层的两个部分（大脑的外层，负责较高认知功能）的不同脑细胞类型进行编目。研究人员选择了两个遥远的区域：初级视觉皮层（处理来自眼睛的视觉输入的第一个站点）和运动皮层的一部分（前外侧运动皮层，或ALM），它参与运动。他们使用一种技术分析了23,822个细胞，该技术允许他们确定在单个细胞中实际激活的超过45,000个可能的基因。然后，他们将具有相似基因活性的细胞分组在一起，以识别133种不同的细胞类型。“这是我们迄今为止对皮层组成最全面的描述，”塔西奇说。
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细胞类型分为两大类：一类称为抑制性神经元，使用化学信使GABA进行通信，并抑制其他附近细胞的活动。另一类，兴奋性神经元，使用化学谷氨酸，它们是产生神经活动的大脑主要细胞。该研究的一个主要发现是，不同类型的抑制性神经元（研究小组确定了61个抑制性亚型）几乎在所研究的两个区域之间共享。相比之下，56个兴奋性亚型中的51个是它们所在区域所特有的。（还发现了16种非神经元的细胞类型）“这是一项具有里程碑意义的研究，揭示了以前未被重视的兴奋性皮质神经元的[多样性]，”加州大学旧金山分校的神经生物学家托马斯·诺瓦科夫斯基说，他共同撰写了一篇随附的评论，但未参与该研究。“长期以来，人们认为这些在各个皮质区域中大致相似。塔西奇和同事们证明这远非事实。”
研究小组接下来使用荧光标记来追踪来自2000多个细胞的通向远处大脑区域的连接。“抑制性神经元具有局部连接，可以调节它们工作区域内发生的事情，”塔西奇说，“而大多数兴奋性神经元投射到遥远的地方，这可能是其他皮质区域或非皮质区域。”他们发现具有不同远距离连接模式的神经元也具有不同的基因活动模式，进一步证实了他们识别的类别是不同的细胞类型，可能在大脑功能中发挥不同的作用。
第二项研究（链接）由弗吉尼亚州霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的神经科学家迈克尔·埃科诺莫领导，重点关注第一项研究中识别出的几个亚型，试图了解它们的功能。塔西奇和同事在ALM的一个特定层中发现了三个亚型，该层包含兴奋性的“锥体束”神经元。“我们对这些非常感兴趣，”埃科诺莫说。“因为它们是运动皮层的主要输出神经元，将运动皮层与负责启动和执行运动的其他重要运动中心连接起来。”（锥体束神经元也是一些运动神经元疾病（如ALS）中发生退化的神经元。因此，了解这些细胞传递的信息以及它们所属的回路可以帮助研究人员更好地了解哪里出了问题。）
埃科诺莫和同事发现，其中两个亚型连接到丘脑，丘脑是一个中央“枢纽”区域，与皮层形成回路。另一个亚型连接到延髓，延髓是一个脑干区域，包含激活肌肉和协调运动的神经元。这种安排与之前的研究非常吻合，表明参与沟通准备性运动的神经元——“计划”——和启动和控制运动的神经元之间存在差异。“许多快速、自愿、灵活的运动都涉及在执行之前的一段准备期，”埃科诺莫说。“这使得动物在启动后能够更快、更精确地执行运动。”
在建立了这个回路之后，埃科诺莫和同事在小鼠身上进行了实验，以确定神经元实际的作用。他们训练小鼠对在两个地方之一被触须戳到做出反应，方法是喝下它们左边或右边的喷口。当小鼠执行这项任务时，研究人员使用一根长而灵活的电极记录了ALM中细胞的活动。研究人员使用光遗传学（一种使细胞对光敏感的技术，因此可以通过向其照射光线来轻松识别它们）标记了他们感兴趣的神经元。然后，他们可以观察细胞在运动任务期间的活动，以研究它们在运动中的作用。结果显示，一些连接到延髓的细胞在运动开始时非常活跃，而另一些细胞在活动的中途或末尾被激活。
另一方面，连接到丘脑的细胞在小鼠的触须被戳到后，但在它们移动之前，显示出复杂而持续的活动模式。“这里有一个稳定的代码，确切地表示了刺激是什么以及小鼠将要执行什么样的运动，”埃科诺莫说。“这就是我们期望的运动计划的样子——对即将到来的运动的表示，并且随着时间的推移持续存在。”
这些发现表明，第一项研究中确定的三种细胞类型发挥着两种截然不同的作用：一种参与准备运动，另一种参与启动和控制运动。“答案如此清晰而美好，”塔西奇说。“这是如何使用这种类型数据的完美展示。”这仅涵盖了迄今为止确定的133种细胞类型中的三种，但是第一项研究提供的基因身份图谱，可供其他研究人员公开使用，将使研究人员能够集中关注其他类型以进行类似的实验。“这些研究为神经科学的未来设定了愿景：全面表征大脑中的所有主要细胞类型，并系统地定义其功能，”诺瓦科夫斯基说。“这也表明我们才刚刚开始这段旅程。”