本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
- 托尼·扎多尔
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托尼·扎多尔是冷泉港实验室的生物学教授，研究啮齿动物的听觉处理、注意力和决策制定。他最近在实验室第79届定量生物学年度研讨会上发言，今年的主题是认知。扎多尔谈到了他最近的工作，试图展示如何利用基因测序技术绘制大脑回路图。我在会议上遇到了扎多尔，下面是经过编辑的文字记录——或者您也可以在这里观看整个采访。
《大众科学》：首先请问，什么是连接组？
托尼·扎多尔：人脑有1000亿个神经元，小鼠大脑可能有1亿个。我们真正想了解的是我们如何从一群神经元发展到思想、情感、行为。我们认为关键是要了解不同的神经元是如何相互连接的。所以传统上有很多研究连通性的技术，但都处于相当粗糙的水平。例如，我们可以说这里的一群神经元倾向于与那里的一群神经元相连。
也有研究单个神经元如何连接的技术，但仅限于这些神经元之间的个别连接。我们希望能够做到的是，了解大脑中的每个神经元是如何与大脑中的其他每个神经元相连的。因此，如果您想在美国各地旅行，您最需要的是一张路线图。它不会告诉你关于美国的全部信息，但如果没有一张完整的全国路线图，你将很难四处走动。我们需要类似的东西来了解大脑。
《大众科学》：那么测序部分呢？您提出连接组的测序可能基于此处开发的基因测序技术。
扎多尔：传统上，人们研究连通性的方式是将其作为显微镜学的一个分支。通常，人们会使用一种或另一种方法来标记神经元，然后在一定分辨率下观察该神经元。但是所有显微镜技术的核心挑战在于神经元可以延伸很长的距离。在小鼠大脑中可能是几毫米，事实上，在长颈鹿的大脑中，有些神经元可以从大脑一直延伸到它的脚，超过15英尺。脑细胞通过称为突触的结构相互连接，这些结构低于光学显微镜的分辨率。这意味着，如果您真的想了解一个神经元如何连接到另一个神经元，您需要分辨突触，这需要电子显微镜。您必须拍摄大脑的非常薄的切片，然后对其成像。
人们在这方面做得非常出色，但至少直到最近，这些成功主要发生在秀丽隐杆线虫身上，这是一种具有302个神经元和7000个突触的线虫。经过超过50人年的工作，他们成功地重建了这种微小生物的整个连接图。从那时起，他们对其进行了扩展，效果还不错，但仍然极具挑战性。因此，几年前，因为我在冷泉港，并且沉浸在所有这些测序技术中，我突然想到，基因测序技术实际上有能力弄清楚数十亿个突触是如何连接的。如果一只小鼠的大脑有1亿个突触，每个神经元产生1000个突触，那么就有1000亿个突触。
如今，一次测序运行的成本约为1000美元，可读取10亿个核苷酸（DNA的化学成分）。我们提出的方法是让一个读取对应一个突触。这个价格正在下降。十五年前，测序第一个人类基因组的成本约为10亿美元，而现在您可以花费1000美元对您的基因组进行测序。在几年内，价格将会远低于此。因此，测序成本下降得非常快。事实上，测序的改进速度甚至比计算机提高性能的速度还要快。我的iPhone的计算能力比20年前的计算机还要强。性能的提高遵循所谓的摩尔定律，而自2008年以来，测序技术的改进速度明显快于摩尔定律。我们完全有理由期待测序会变得更快。这意味着将连通性问题转化为测序问题具有巨大的潜在好处。
《大众科学》：回路不是基因，那么您如何对回路进行测序？
扎多尔：我们的想法是，我们将在每个神经元中赋予一个独特的、随机的DNA序列。我们称之为条形码。起初这听起来很奇特，但实际上免疫系统已经解决了这个问题。您的B细胞和T细胞通过一种称为体细胞重组的过程产生新的抗体。它们打乱染色体的片段以产生新的抗体。
但这并不是我们采取的字面方法。我们不使用免疫系统中使用的特定酶集合，因为它们对我们来说不是很方便。但是许多生物体都使用了该原理，我们正在劫持来自其他生物体的类似蛋白质，以尝试在神经元中做相同的事情。我们的想法是，我们将在每个神经元中放入一个表达特定蛋白质的核苷酸盒。该蛋白质将打乱核苷酸，并在大脑中的每个神经元中生成一个新的序列。每个神经元听起来很多，但组合数学对我们有利。一个由30个随机核苷酸组成的序列具有430的潜在多样性，因为有四个核苷酸。
这个数字远远大于大脑中神经元的数量。因此，如果我们能偶然地引起足够多的扰乱，那么两个神经元具有相同条形码的概率就微乎其微。如果我们可以做到这一点，那么下一步就是表达编码该随机条形码的小RNA片段。然后，我们将拥有将这些RNA拖到突触的工程蛋白质。那么，在每个突触，都会有一个突触前RNA条形码和一个突触后RNA条形码。之后，只需进行一些生物化学处理，将突触前条形码和突触后条形码连接在一起，这样您将获得一个DNA片段。最后，我们只需要读取这些代码，原则上，我们就可以获得这个巨大的连通性矩阵。
《大众科学》：大脑中有很多不同类型的神经元和结构。原则上，您认为您可以使用这种方法走多远？
扎多尔：这在人类身上行不通，因为它需要操纵神经元。但是我们没有理由不能完成整个小鼠大脑的研究，事实上，一旦我们让转基因小鼠工作，我们没有理由不能研究许多小鼠大脑。因此，测序成本不会被忽略不计，但会在使该项目值得的范围内。我们设想的是，不仅要获得部分回路的连通性，还要获得整个回路的连通性。我告诉了您最基本的内容，但我们可以添加一些花哨的功能，我们认为这些功能不仅可以让我们获得连通性，还可以获得这些细胞的精确位置及其基因表达模式。反过来，这将告诉我们它们的细胞类型，所以我们真正想要的，尽管这很雄心勃勃，是完整的连通性矩阵，然后与每个元素关联的是它是什么细胞类型的名称。
《大众科学》：与基因测序一样，这可以很快完成。
扎多尔：一旦我们有了转基因动物，提取DNA需要几天时间，而每个个体的测序需要两周或更短的时间。整个过程可能需要一个月的时间。
《大众科学》：美国非常重视花费大量资金开发新技术以更好地了解大脑。您是否认为这是可能使用的技术之一？
扎多尔：我已申请拨款。我很想做这件事。我希望很快能有一个原理证明，让人们相信这是值得追求的事情。但是，要真正扩大所有这些规模，是超出一个实验室可能完成的事情。因此，我希望看到的是，在我们展示原理证明之后，许多实验室会参与进来，并提出更好的想法，以最快的方式完成我们现在正在尝试做的事情。如果资源投入到这项工作中，我会感到非常兴奋，因为我认为拥有生物体的完整连通性将非常有用，并且我认为拥有产生这种能力的能力可以改变我们进行神经科学研究的方式。
《大众科学》：最后，在您最近在PLOS Biology上发表的关于此主题的论文中，您提到您的技术可能适合测试当大脑回路在像自闭症这样的疾病中出错时会发生什么。您能谈谈这方面吗？
托尼·扎多尔：我的研究兴趣之一是自闭症，最近在识别导致自闭症的基因方面取得了很大进展。但是事实证明，有几十个甚至数百个基因，当受到干扰时，可能会导致自闭症。尽管自闭症是异质性的，但仍然可以以有意义的方式进行诊断。因此，肯定有一些共同之处。一个有吸引力的假设是自闭症是由电路中断引起的。这可能是由于我们知道在人类中导致自闭症的基因损伤造成的。
我们可以在小鼠中重现这些损伤，然后我们可以问一个问题：‘在表达与人类相同基因损伤的小鼠的电路中会发生什么错误？’希望我们能做的是，提取20个自闭症小鼠模型，观察它们的大脑，观察它们的连通性，然后说，我们注意到在20个模型中的17个模型中，与非自闭症小鼠相比，该电路存在中断。这将引导我们仔细研究该电路，该电路可能会连接大脑的前部和后部，或者将一个神经元子集连接到另一个子集，无论是局部还是在另一个大脑区域。可能的假设空间是巨大的。除非您有这样的方法，否则目前不可能全部测试它们。
《大众科学》：非常感谢。
图片来源：冷泉港实验室