脑细胞类型的匹配形式和功能

Cedars-Sinai 的研究人员创建了计算机生成的模型，以弥合关于神经元的“试管”数据与活体大脑中这些细胞的功能之间的差距。他们的研究可以帮助开发针对特定神经元类型的神经系统疾病和障碍的治疗方法。

来自体内实验和生物物理现实单细胞模型的细胞外动作电位 (EAP) 记录。来自体内实验 ( a – d ) 和单细胞建模 ( e – g ) 的细胞外动作电位 (EAP) 记录。a左图，本研究中使用的单个神经元的 Cre 线和形态（多刺与多刺）组的标签通过细胞内电生理学和形态学重建在体外进行表征。正确的，体内 EAP 波形分析通常会产生两个簇，即快速尖峰 (FS) 与常规尖峰 (RS) 单元。b小鼠大脑中的初级视觉皮层 (V1)（左）和 Neuropixels 探针沿 V1 的典型皮质深度放置（右，来自 Allen Reference Atlas-Mouse Brain 86 ）。c Neuropixels 探针的 384 个电极位点沿线性柄探针密集排列（左；20 μm 垂直间距，每行 2 个位点；黑色方块：记录位点的位置）。来自两个示例单元（单元 #1：FS；单元 #2：RS）的 EAP 波形，包括振幅最大的通道（最接近体细胞，粗线）和体细胞上方和下方的通道。d顶部：野生型（n  = 24）、小白蛋白表达（Pvalb，n  = 8）和生长抑素表达（Sst，n  = 12); 底部：漂移光栅期间 V1 中记录的每只野生型小鼠的单位分布（单位总数 = 204）。沿 V1 深度轴的单位分布，其中 0 表示第 4 层的中心。e V1（“全活性”）的生物逼真单细胞模型由体外实验生成，并通过突触背景激活以引发细胞内活动以及细胞形态附近的相关 EAP 信号。细胞形态用球形胞体和全树突重建（轴突未显示）表示。EAP 信号的示例模拟显示为多刺（顶部：红色，细胞 ID：395830185）和多刺（底部：蓝色，细胞 ID：469610831）单细胞模型。F多通道 EAP 的四个示例，包括振幅最大的通道（粗线，最接近体细胞）和体细胞上方和下方的通道（顶部：2 个多刺模型；底部：2 个多刺模型）。g总共使用计算优化框架生成了 33 个单细胞模型（15 个多刺模型和 18 个多刺模型），并包含在涵盖一系列主要报告细胞系和皮质深度的研究中。

神经病学、神经外科和生物医学系的研究科学家 Costas Anastassiou 博士说：“这项工作使我们能够开始将大脑视为复杂的机器，而不是一块同质的组织。” Cedars-Sinai 的科学和该研究的高级作者。“一旦我们能够区分不同的细胞类型，而不是说整个大脑都患有疾病，我们就可以询问哪些神经元类型受到疾病的影响，并为这些神经元量身定制治疗方法。”

神经元是大脑的主要功能单位。通过这些细胞的信号——以电波的形式——引起所有的思想、感觉、运动、记忆和情感。

该研究使用来自实验室小鼠的数据建立了一种检查神经元类型和功能之间关系的新方法，并专注于接收和处理视觉信息的小鼠初级视觉皮层。它是大脑中研究得最好的部分之一——无论是在体外，还是在活体动物体内，在活体体外的培养皿或试管中研究组织。

调查人员的目标是将这两个世界联系起来。

“基于对基因构成和物理结构的体外研究，我们知道了各种神经元的外观，但不知道它们在活脑中的功能，”Anastassiou 说。“当我们记录体内脑细胞的活动时，我们可以看到神经元对什么做出反应以及它们的功能是什么，但看不到它们属于哪一类神经元。”

为了将形式与功能联系起来，研究人员首先使用体外信息来创建各种类型神经元的计算模型并模拟它们的信号模式。

接下来，他们利用最新的单神经元记录技术来观察实验室小鼠在暴露于不同种类的视觉刺激时大脑的活动。根据神经元响应视觉输入的信号或“尖峰”形状，研究人员将他们记录的细胞分为六组。

“一旦我们有了我们的模型和我们的体内数据，基本问题就是哪些计算模型产生了与我们确定的六个体内簇中的每一个最相似的信号形状和波形，反之亦然，”Anastassiou 说。“并非所有的体内集群和模型都完美匹配，但有些确实如此。”

可能需要更多的数据，可能还需要涉及更复杂的视觉刺激的实验来匹配所有的计算模型和细胞簇，Anastassiou 说未来的研究将致力于完善当前论文中建立的方法。

“关于人脑中细胞类型的身份有大量信息，但没有关于这些细胞类型在认知功能中的作用或它们如何受疾病影响的信息，”Anastassiou 说。“现在有一扇窗，我们可以通过它来审视这些事情并提出这些问题。很明显，我们还有很长的路要走，但我们对这一旅程的下一步感到兴奋。”

最终目标是为改变患者生活的发现铺平道路。

“我们的研究科学家不断努力在最详细的层面上扩展我们对人脑运作的了解，”神经外科系主任、Cedars 神经科学 Ruth 和 Lawrence Harvey 主席医学博士 Keith L. Black 说。 -西奈。“确定每个神经元的特定类型和功能可能有一天会导致发现脑部疾病和神经系统疾病的救生疗法。”