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投入5亿美元,美国NIH启动「脑计划2.0」,将绘制史上最全人脑细胞地图

生辉

2022-09-23 19:48北京

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大脑是人体中最复杂的器官,也是最重要的器官之一。


大脑的所有细胞类型有哪些?这些细胞是如何相互连接的?疾病期间大脑的工作方式会产生何种变化?有太多的问题需要解答,更为关键的是,太多疾病与大脑健康密切相关,深入研究大脑对于开发创新疗法有重大意义。


为了揭开人类大脑的奥秘,2013 年 4 月,美国政府正式启动“脑计划”(BRAIN Initiative)。


“脑计划”是美国政府开展的一项重大科研项目,旨在通过开发新型研究技术和工具来深入探索人类大脑,以期发现预防、治疗甚至治愈各种大脑疾病及大脑相关疾病的新疗法。


美国国立卫生研究院(NIH)是“脑计划”的主要研究机构,同时,还有来自全球多个国家和地区,涵盖生物学、物理学、工程学、临床医学等众多学科领域,从索尔克研究所,到杜克大学,再到麻省理工学院-哈佛大学的 Broad Institute 等科研机构参与其中。


早在 2014 年,“脑计划”第一阶段——“脑计划细胞普查联盟”(BRAIN Initiative Cell Census Consortium,BICCC)项目启动,该项目专注于开发高通量、高精度的研究工具来表征和分类脑细胞类型。


2017 年,BICCC 项目进一步拓展,扩大成为“脑计划细胞普查网络”(BRAIN Initiative Cell Census Network,BICCN),目标是在整合了脑细胞的分子学、形态学、生理学和解剖学特性的基础上,进一步优化脑细胞类型分类,针对哺乳动物大脑中的不同细胞类型进行识别和编号。


人类大脑的细胞数量有上百亿个,只有了解大脑细胞的组成才能更好地理解大脑的工作机制,以及探索相关疾病的发病机制。“如果我们想研究大脑到底是如何工作的,那就必须深入探索组成大脑的基本单位——细胞。我认为这就像‘人类基因组计划’,我们现在有能力像定义基因一样定义细胞,细胞可以说是了解生物学和疾病等方面的基础。”艾伦脑科学研究所高级研究员、“脑计划”首席研究员 博士说道。


BICCN 项目与人口普查有些相似,“细胞普查”面向的是各种类型的所有脑细胞,分析和记录这些细胞的形状、特征、数量、位置、电活动信号等综合信息,然后将得到的信息编制成目录。


“目前,我们在大脑相关疾病研究所面临的重要挑战是,缺乏对于疾病所影响到的细胞以及细胞相互之间的连接方式,因此很难‘有的放矢’做到针对性治疗。通过 BICCN 研究我们发现了组成大脑的细胞类型、特征等很多详尽信息,可以帮助人类更好地研究大脑及脑相关疾病。”美国国立卫生研究院“脑计划”负责人 博士表示。


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图|BICCN 项目绘制的人类初级运动皮层细胞图谱(来源:Allen Institute)


通过 BICCN,研究人员已经在分子水平完成了对包括人类在内的一些哺乳动物初级运动皮层的大脑细胞类型图谱绘制,这也意味着“脑计划”第一阶段的研究工作已经完成,而 BICCN 的成功实施为下一步研究的顺利开展打下了坚实基础。


今年,“脑计划”第二阶段——脑计划全细胞图谱网络(BRAIN Initiative Cell Atlas Network,BICAN)开始启动,目标是在未来 5 年内绘制出一个完整的人类大脑细胞类型图谱。


早在年初, 以“”(BRAIN 2.0:改变神经科学)为题在 Cell 上发表了一篇评论文章,介绍了“脑计划 2.0”阶段即将开展的三大研究课题:绘制综合的人脑全细胞图谱、构建哺乳动物大脑微连接性图谱,以及研发精准靶向脑内各类细胞的工具和技术。


图|“脑计划 2.0”的三大研究课题(来源:Cell)


近日,美国国立卫生研究院宣布将提供超过 5 亿美元的新资金,来继续深入开展“脑计划 2.0”阶段的研究工作。


在“脑计划 2.0”阶段,研究人员将绘制人类大脑出生、发育、成熟、衰老各个阶段的全细胞图谱,同时还将融合不同人种、不同生活习惯等对于大脑全细胞图谱的影响,可以预见,细胞图谱完成后将对神经退行性疾病、精神疾病、成瘾疾病等的大脑相关疾病的发病机制提供前所未有的理论支持。


除了“绘制人脑全细胞图谱”,针对“构建哺乳动物大脑微连接性图谱”,美国国立卫生研究院将于明年年初提供 3000 万美元的资助;与此同时,还将针对“研发精准靶向脑内各类细胞的工具和技术”分拨 3600 万美元的研究经费,用于开发病毒载体和脂质纳米颗粒,以定位和基因调整特定类型的脑细胞。


“目前,‘脑计划 2.0’的研究工作才刚刚开始,接下来我们将研究数百个人类大脑。同时,我们现在开展的这项研究意义重大,这将彻底颠覆未来人们进行神经科学研究的方式。” 说道。


“脑计划”是一个相当“烧钱”和“耗时”的超大型神经科学项目。截至目前,该项目已经历时 9 年,美国国立卫生研究院的总投资金额已达 25 亿美元,预计到 2026 年底,这一数字将达到 52 亿美元。


巨额的投入将换来丰厚回报,作为继“人类基因组计划”之后的又一大国际科研项目,“脑计划”的实施将变革性地促进对人类大脑运行机制的理解,并将强有力地推动各种大脑疾病以及脑相关疾病创新疗法的开发,造福人类健康。

参考资料:

1.

2.https://www.science.org/content/article/nihs-brain-initiative-puts-dollar500-million-creating-detailed-ever-human-brain-atlas

3.https://www.statnews.com/2022/09/22/nih-launches-next-stage-of-human-genome-project-for-brain/

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