编者按

2013年4月，时任美国总统的奥巴马率先宣布启动“脑计划”，即推进创新神经技术脑研究计划，拟在10年时间内用30亿美元资助美国脑研究，通过绘制大脑工作状态下的神经细胞及神经网络的活动图谱，揭示脑的工作原理和脑疾病发生机制，发展人工智能，推动相关领域和产业的发展。该计划旨在通过创新的神经技术加强对人脑的认识，其最终目标是希望找到攻克大脑疾病的新方法，包括阿尔茨海默症、癫痫、帕金森症等。自美国脑计划启动以来，科学家在创造和利用新的工具破译大脑运作方式上取得了实质性进展。

美国国立卫生研究院（NIH）已经在脑计划项目上投入了24亿美元，预计到2026年，总投资将超过50亿美元。目前美国脑计划正在进入茁壮成长的新阶段，NIH除了继续支持研究非人灵长类和人类模型中神经环路的强大工具和方法的相关项目外，小编在这里给大家推荐发表在《Cell》题为“BRAIN 2.0: Transforming neuroscience”的评述文章，来自NIH的Ngai John教授还推出了三个新的大型脑科学研究项目：1）构建全面的人类大脑细胞图谱；2）绘制完整的哺乳动物大脑微连接图谱；3）开发精确获取大脑细胞类型的工具。期望改变神经科学研究的方法和人脑疾病治疗的方式。并将这三个项目称为“脑计划2.0：神经科学的变革性项目”。

图1. 脑计划2.0时代的三大项目

一、构建全面的人类大脑细胞图谱

要解开行为学背后的神经生物学原理，需要对大脑的不同细胞类型、不同类型细胞的特征和细胞间的信息沟通方式进行深入研究。然而，从拉蒙·卡哈尔发现神经元的一个多世纪以来，很长一段时间仍然不能对哺乳动物大脑的所有细胞类型进行全面解析。

为了解决这一问题，2014年NIH发起了解析脑细胞图谱的倡议。随着单细胞转录组技术的快速发展，2017年NIH开展了脑细胞普查网络（BICCN）计划，该计划致力于构建完整的小鼠细胞图谱，彻底变革基于形态，生理特征的解剖分类，从基因角度对脑细胞类型进行全面解析。目前BICCN基本完成了小鼠脑细胞图谱的解析，并将继续开发和完善更高分辨率和解析力的绘制脑细胞图谱的新技术。在未来五年，BICAN将致力于绘制人类大脑的细胞图谱。这一任务需要对1000亿个神经元和比神经元多三个数量级的非神经元类型进行全面的细胞解析。

目前通过BICCN已经解析出一些人类大脑特有的神经元细胞类型，并且这些神经元的变化将导致阿尔兹海默症患病风险增加。人类脑细胞图谱将对发育早期到衰老过程的整个生命周期中的人类脑细胞进行绘制，阐述大脑在神经退行性疾病和精神疾病中的改变，这将对人类理解和攻克脑相关疾病提供重要的工作基础，并为开发不同细胞类型的研究工具提供重要的依据。

二、绘制完整的哺乳动物大脑微连接图谱

在纳米分辨率的尺度上绘制哺乳动物大脑微连接图谱，将对神经科学领域产生变革性的影响。在大脑的连接中，绝大多数细胞之间连接均来自较远脑区的细胞投射，而在纳米或突触分辨率尺度上绘制的完整连接图谱，需要绘制出构成神经环路的所有细节性信息。这些信息将有助于揭示正常和疾病状态下的环路功能影响因素，识别调节环路功能的关键神经元，并有利于通过长投射连接和超微结构形态学特征发现新的细胞类型。

尽管近期在连接组研究中取得了技术性进步，但无论是在数据采集还是数据分析方面，目前的技术都无法应对及时创建准确的哺乳动物脑连接图谱。一个完整的小鼠大脑连接组数据估计可以产生1EB（1000PB）的数据，而一个人类大脑连接组将产生1ZB（1000EB）的数据，这相当于世界上一年互联网产生的所有数据的总和。因此项目的突破，需要依赖于高性能计算能力方面的创新、图像分割和机器学习算法的突破和高效便捷的可重复访问的人机交互界面。

为了应对上述挑战，NIH提出了“两步走”战略计划。第一阶段为期5年，该阶段NIH将大力支持开发可应用于分析完整哺乳动物大脑连接组数据的可扩展技术的项目，该阶段主要侧重于研究新的神经工程方法，包括用于大脑不同分辨率下进行无损样本制备和成像；用于解释和挖掘大型连接数据集的数据分析工具；以及开发数据访问和重复使用的数据平台。第二阶段是基于第一阶段研究的技术和方案，构建完整的哺乳动物脑连接图谱。该阶段专注于利用突触级别的信息创建纳米分辨率连接组图谱的技术，在小鼠、非人灵长类动物和人脑中构建纳米分辨率的突触连接图谱和微米分辨率的投射连接图谱。

三、开发精确获取大脑细胞类型的工具：改变研究神经环路结构与功能的方法

随着光遗传学、化学遗传学和基因编辑技术革命性的进步，和在脑细胞图谱解析方面的快速进展，让利用遗传学手段特异性调控脑细胞亚型的神经环路成为可能。虽然目前遗传学手段调控神经环路在模式生物上的研究取得了重大进展，但是该方案在非人灵长类动物和其他非遗传的模式生物中并不容易实施。为了能在非人灵长类中进行细胞亚型的特异性调节，需要更多地了解非人灵长类动物大脑组成的细胞类型的巨大多样性，以及适合亚细胞特异性的神经回路，并基于以上结果设计一个可用于精确干预脑细胞的扩展工具包。

为了达到上述目的，NIH倡议对传统的模式生物遗传学调控进行变革，建立一个可精确访问人脑细胞亚型的扩展工具包，并可以用来精确追踪跨多个物种的神经环路。该项目将利用病毒载体（如腺相关病毒（AAV）和慢病毒）和纳米颗粒递送系统靶向体细胞方面的最新进展。例如，通过AAV载体衣壳蛋白的定向进化增加病毒的趋向性，可让病毒穿透血脑屏障，靶向大脑中不同类型的非神经细胞和神经元。对神经元的特异性靶向，可以通过在病毒载体中加入神经元类型特异性表达的增强子序列实现。目前大脑单细胞表观基因组产生的海量数据为识别特定细胞类型的增强子类型奠定了基础，而这些增强子可用于精确干预脑细胞亚型。通过特异性的增强子病毒靶向细胞亚型，结合光遗传学、化学遗传学和基因编辑技术来调控细胞活性，以研究细胞和投射活性对行为学产生的影响，这有利于精确解析人类精神疾病的发病机制，并为特异性治疗相关脑疾病提供现成的工具。

四、结论

从NIH发起通过新技术、新工具、新手段变革神经科学至今，已经过去了9年，这期间的脑计划1.0阶段在开发新的脑科学研究工具已经取得了丰富的成绩。目前的脑计划2.0阶段，将致力于从解析人类脑细胞图谱、构建哺乳动物脑连接图谱和开发特异性的脑细胞亚型调控工具上发力，而这些项目的完成将会革命性地促进对人类大脑作用方式的理解，并将为基于神经环路治疗神经退行性疾病和精神疾病提供重要的理论支撑和实现手段。

原文链接：https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2821%2901387-8

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