本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
科学家们已经用许多不同的方式绘制、记录、建模和可视化了人脑。他们标记了这个器官四个主要脑叶的边界：额叶、顶叶、颞叶和枕叶。他们将大脑皮层划分为 50 多个 布罗德曼分区——以特定细胞类型和特定认知功能（如处理语言和识别面孔）为特征的小区域。研究人员用荧光蛋白标记了单个神经元，将灰色的组织转变成 令人惊叹的脑虹，并跟踪水分子在神经系统中移动的轨迹，以 追踪连接大脑区域的神经组织带。最近，一些科学家提倡连接组的重要性——给定神经系统或大脑中神经元之间所有连接的详细线路图。连接组学的支持者认为，彻底了解大脑需要精确的神经回路图。
制作连接组的标准方法是连续电子显微镜——将动物的大脑切成薄片，通过电子显微镜拍摄所有驻留神经元的照片，并使用这些照片来费力地重建神经元之间的连接。在 20 世纪 70 年代，生物学家悉尼·布伦纳和他的同事开始使用这项技术来绘制一种被称为秀丽隐杆线虫的小型蠕虫神经系统中 302 个神经元和 7,000 个神经连接或突触的图谱。他们花了 12 年多的时间才完成这张图谱。到目前为止，秀丽隐杆线虫是唯一拥有如此完整连接组的动物。由于哺乳动物的大脑包含数百万或数十亿个神经元以及数十亿或数万亿个突触（取决于物种），研究人员正在寻找更快、更便宜的方法来创建连接组。例如，在哈佛大学，杰夫·利希特曼和他的同事构建了一种 自动磁带收集超薄切片机 (ATLUM)——这是一种加速将脑组织切成薄片，具有传送带效率的机器。
在 一篇新的文章中，冷泉港实验室的 安东尼·扎多尔 概述了构建连接组可能最快、最便宜的方法——如果他和他的团队克服一些重大障碍的话。他们的策略，目前仍处于实验室的原理验证阶段，依赖于 DNA 条形码和一种通过偷偷穿过神经高速公路来逃避免疫系统的病毒。扎多尔和他的同事将他们的方法称为 BOINC（个体神经元连接的条形编码）。
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BOINC 背后的基本思想是利用日益快速且廉价的 DNA 测序技术来制作连接组。如果可以通过分析神经元的 DNA 来推断神经元是如何连接的，而不是用数千张数码照片重建神经元之间的连接，那会怎么样？以下是它的工作原理。
BOINC 的第一步是为大脑中的每个神经元分配一个唯一的 DNA 条形码——DNA 核苷酸构建块 A、T、C 和 G 的独特序列。为了实现这一点，扎多尔建议使用称为重组酶的酶来改组神经元基因组的特定片段，这些酶专门用于这种基因改组。扎多尔说，如果 DNA 片段足够长，并且研究人员使用足够多的重组酶，那么任何两个神经元最终得到相同改组序列的可能性都会非常低。他计算出，20 个核苷酸条形码的可能排列组合可以唯一标记整个小鼠大脑中大约 7000 万到 1 亿个神经元。一旦神经元被标记，另一组酶会将条形码从神经元的基因组中切除，并将它们包装到质粒中——环状的 DNA 环。
在这个阶段分析 DNA 将不会揭示神经元之间的连接，因为自由漂浮的 DNA 条形码仍然局限于它们各自的细胞。需要的是一种使连接的神经元交换这些 DNA 条形码副本的方法。伪狂犬病病毒 (PRV) 应运而生，它实际上与疱疹病毒的关系比狂犬病病毒更密切。PRV 主要感染猪——尽管许多其他哺乳动物也易感——引起发烧、打喷嚏、咳嗽、便秘和严重瘙痒。这种病毒通过沿着神经元相互连接的分支爬向大脑来躲避免疫系统，并跨越突触——分隔通信神经元的小间隙。
几十年来，科学家们一直在跟踪 PRV 在神经系统中移动的轨迹，以便追踪神经元之间的连接。扎多尔提出了一个全新的想法：诱导 PRV 赋予 DNA 条形码功能性病毒的特性，以便它们也可以从一个神经元传播到另一个神经元。
当 PRV 进入细胞时，它会带来一组蛋白质，这些蛋白质立即开始劫持细胞的分子机制，并复制许多 PRV 病毒。当病毒蛋白质集合识别并结合病毒自身基因组中的特定 DNA 序列时，整个过程就开始了。通过将这些基因序列编织到自由漂浮的质粒 DNA 条形码中，扎多尔和他的团队欺骗 PRV 的辅助蛋白质，使其为这些条形码提供蛋白质外壳，从而使 PRV 能够从宿主细胞跳到连接的神经元。本质上，DNA 条形码本身就变成了病毒。重要的是，扎多尔必须确保这些病毒 DNA 条形码具有单程、单次乘坐的票——它们跳一次然后停止。他认为，通过限制访问一种有助于其跨突触传播的酶，他可以终止条形码在跳跃一次后的旅程。
如果一切顺利，神经元就会变成扎多尔所说的“条形码袋”——但不是来自大脑各处的条形码的随意抓取袋。相反，由于 DNA 条形码只跳了一次，每个神经元都应该有其自身独特条形码的副本，以及与其直接连接的所有神经元的条形码副本，但没有来自任何其他神经元的条形码副本。在每个神经元内，另一种名为 phiC31 整合酶的酶会将来自连接神经元的条形码连接成对。然后，每个神经元将拥有与其连接到其他神经元的连接一样多的条形码对。最后，研究人员将研磨脑组织，提取 DNA 并复制所有成对的 DNA 条形码的许多副本，这将使他们能够推断神经元之间的连接。如果 Alpha34X 的唯一条形码与 Omega16P、Gamma78V 和 Delta23W 的条形码配对，那么这些细胞一定是直接连接的。扎多尔的文章于 10 月 23 日在线发表在PLoS Biology上。
BOINC 是一系列复杂的步骤，涉及微妙的基因和分子操作——在这个过程中可能会出现很多问题。尽管扎多尔远未克服 BOINC 提出的许多技术挑战，但他受到了有希望的初步尝试的鼓舞，并希望尽快发表实验结果。“我们已经让所有步骤单独工作，并且原理验证证明它们在一起工作得相当好，”他说。到目前为止，他和他的同事专注于小鼠脑细胞培养物，并且已经能够从 DNA 分析中推断出一个由数百个神经元组成的神经回路，尽管他们还不知道它与小鼠大脑中的解剖回路的匹配程度。扎多尔估计，最终“测序”整个小鼠大脑的连接组将花费约 48,000 美元和一周的工作时间。
扎多尔说：“如果没有关于潜在神经回路的真正好的假设，你可能会浪费几年的研究时间。” “有了连接组，我们可以生成假设并问，‘这甚至有道理吗？’ 我们可以查看地图并说，‘哦，不，不可能是那样。’ 如果我们知道线路图是什么，我们就会极大地限制我们的假设。我不期望理解连接组会给我们所有关于大脑如何工作的答案，但我期望的是，它将彻底改变我们寻找答案的方式。”