中國腦計劃重大進展：首度解碼人腦「中央處理器」，繪製腦細胞圖譜

「我思故我在」，即「正在思考懷疑的我證明我的存在」，這句話幫助17世紀法國著名哲學家、數學家、物理學家笛卡爾證明了凌駕於感官、常識、甚至科學之上的「絕對真實」，但各位讀者們是否想過，「我思」又是如何存在的呢？

如果把人比喻成一個從不停歇而又平穩運行的社會，毫無疑問，大腦就是這個社會的司令部，而大腦皮層，則可以稱得上是掌控全局的絕對決策中心。

在這個只有兩張展開報紙大（約為2200平方厘米）的辦公區里，140多億個「小職員」——即神經細胞，他們姓名不詳，來歷不明，但兢兢業業、夜以繼日的為整個「社會」的平穩運營付出努力。而今，來自中國的科學家們追本溯源、刨根究底，嘗試用科技的手段描繪每個「小職員」的一生。

近日，來自中國科學院生物物理研究所的王曉群研究團隊、北京大學湯富酬、喬傑研究團隊，聯合北京大學第三醫院和首都醫科大學安貞醫院張軍教授，採用RNA-seq技術對2300餘個胚胎髮育8周~胚胎髮育26周間的前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）的單細胞樣本進行分析，確認了六大主要類型共計35個亞型的細胞，並追蹤了這些細胞的發育軌跡。

圖丨王曉群、湯富酬、喬傑、張軍

該研究系統地繪製了胚胎髮育早期及胚胎髮育中期人類大腦前額葉皮層部分的單細胞圖譜，揭示了神經細胞的分化、遷移及成熟機制，為進一步從分子及細胞水平了解前額葉皮層的功能調控提供了翔實的基礎。研究的具體內容發表在3月14日的《Nature》雜誌上。

「雖然人們一直在強調大腦的各種功能，但我們卻對其知之甚少，如果連細胞的基本組成都不了解，那麼對其認知功能的解讀也就無從談起，」王曉群教授解釋道，「我們的工作為解答前額葉皮層如何參與『思考與思想形成』這一關鍵問題的後續研究提供了高精度的細胞圖譜，這是前額葉皮層發育研究史上的重要突破和重大進展，可以說在腦計劃的細胞圖譜研究中，我們已經先美國一步了」。

圖丨 美國腦計劃

解密大腦「中央處理器」

在了解此次的成果之前，我們需要先簡單了解一下正在幫你理解這篇文章的大腦皮層（cerebral cortex）。

人類的神經系統主要由神經細胞及神經膠質細胞等構成，其中膠質細胞具有支持、營養、保護等功能。

神經系統中功能最高級的一部分則是大腦皮層，又稱大腦皮質，其表面溝壑交縱，「溝」和「回」是其最為顯著的解剖結構，褶皺和溝壑之間藏著高等生物的智慧。

根據空間結構，大腦皮層可分為額葉、頂葉、枕葉等幾個部分，其中額葉具有高級認知功能，包括學習、語言、決策、自主運動控制、抽象思維、情緒等。

其中，人類的前額葉皮層由一系列高度分化的神經細胞組成，共同主導者人類的記憶、認知及決策等社會行為。前額葉皮層的功能紊亂很可能會導致認知缺陷及神經發育障礙，因而對胚胎髮育早期的前額葉皮層細胞種類、功能及特徵的了解，對相關神經性疾病的治療至關重要。

圖丨大腦皮層與前額葉（紅色）

對於自己，人類看似洞悉全局，但有時又好像知之甚少。很難想像，即使人類對大腦各個部分的功能已有認識，甚至將已知應用於醫療，可如今仍舊連組成的細胞類型究竟是誰、從何而來都說不清楚。

圖丨人腦前額葉發育圖

而今，來自中國的科學家們正是以此著手，試圖通過一定的技術手段，對這些在神經系統中默默工作的細胞們進行「人生」軌跡的勾勒——既追根溯源，也比較歸類。

小職員的「人物小傳」

由王曉群及合作者組成的研究團隊採用單細胞轉錄組測序的方法，對2309個人腦前額葉中處於發育階段的「小職員們」逐一進行「描寫」，認清它們的身份，記錄它們的生活軌跡。

近年來隨著測序技術的進步，人們不再滿足從大量樣品中獲取的「整體」表徵，而是希望強調個體細胞的特異性，單細胞測序技術就這樣應運而生。單細胞測序技術是指在單個細胞水平對基因組、轉錄組、表觀組進行高通量測序分析的一項新技術。它能夠揭示單個細胞的基因結構和基因表達狀態，反映細胞間的異質性。

在這一次的研究中，科學家們發現，胚胎髮育過程中的人腦前額葉皮層是由神經幹細胞、興奮性神經元、星型膠質細胞、少突膠質細胞、小膠質細胞等六大類共計35個亞型的細胞組成的。

隨後，通過系統的數據分析及實驗驗證，研究者發現中間前體細胞（一種神經幹細胞，可分化成其他神經細胞）在胚胎髮育過程中存在兩個爆發期：第一次在胚胎髮育10周左右，第二次在胚胎髮育16周左右。在這兩個時期內，大腦前額葉集聚了大量的中間前體細胞，這也為之後前額葉皮層快速形成大量的神經元，進而形成複雜完善的神經系統奠定基礎。

同時，研究者們也首次揭示了前額葉皮層興奮性神經元生成、遷移及成熟的三個階段，分別為胚胎髮育8-12周、胚胎髮育13-16周、胚胎髮育19-26周。且26周後，胎兒前額葉部分神經細胞已經具備正常發放鈉鉀電流的能力。

這意味著，在胚胎髮育26周左右，已經有初步的神經環路形成，換句話說，這時候的胎兒很可能已經具有了人類的基本思維。

大國之爭

繪製了這些「小職員」的生命軌跡，我們就能獲得大腦圖譜。但大腦圖譜其實並非是只有中國科學家在研究。

早在 2013 年 4 月，美國奧巴馬政府就開啟了名為BRAIN Initiative的10年項目，由美國國立衛生研究院（NIH）領導。針對腦科學的 9 個領域進行資助，而為大腦細胞分類、繪製大腦圖譜便是該項目的重要工作之一。

其實，在科技前沿的競賽中，中國一直與之保持著「亦敵亦友」的關係，既是競爭對手，但又隨時保持開放分享的態度。此次我國研究者們繪製的人腦前額葉胚胎髮育過程中的單細胞轉錄組圖譜，不僅僅是我國神經生物學界的重要成果，更是整個生物學界的共同基礎財富。

巧合的是，最近，BRAIN Initiative 項目同樣有了新的進展。在美國腦力聯盟、美國神經病學研究院主辦的國會簡報會上，Joshua A. Gordon 博士等人領導的團隊發布了名為「BRAIN Initiative 進入下一階段」的報告，介紹了他們的最新發現，例如從解析度達突觸級別大腦的電路圖，無創實現大腦網路可視化的研究進展等。

當然，目前人類對自身大腦的所知只能稱得上是磚塊瓦礫，構建起系統的建築，我們仍有很長的路要走。