以往了解大脑中神经元连接的方法是，利用成像技术观察大量神经元的传递，或者利用“劳动密集型”技术一次只观察一个神经元。为了以一种高通量的方式追踪整个大脑中单个神经元的信息流，纽约冷泉港实验室的研究人员开发出一种测序方法，称为MAP-seq（multiplexed analysis of projections by sequencing），近日发表在Cell子刊《Neuron》杂志上。
文章主要作者、冷泉港AnthonyZador实验室的研究生Justus Kebschull表示，这种技术可用于解析大脑的结构和功能，理解自闭症和精神分裂症等疾病的发病机制，帮助筛查药物靶点。
观察大脑活动的方法有很多，但是大脑连接方面的研究仍然滞后。数百万个细胞属性各不相同，它们将信息传送到大脑的不同角落。
到目前为止，绘制大脑信息流的方法已经非常普遍。例如，影像学研究可以让研究人员观察一个大脑区域向其他三个区域传送信号，但是却缺少其中的细节信息。比如说，那个区域是否只有一个细胞群向三个下游区域传送信号，还是该区域中含有不同的细胞群分别向三个区域各自传送信号。
Kebschull说，MAP-seq技术可以获取这些细节。不依赖于成像技术，MAP-seq采用了基因条形码（genetic barcode）标记每个细胞。利用长度为30nt的barcode，可以产生超过1018个特有的barcode，确保每一个细胞都有各自特有的barcode标记。
然后研究人员利用病毒传输系统对细胞进行标记，将barcode导入失活的病毒颗粒中，然后将病毒整合到细胞中。barcode中包含了一条mRNA转录本序列确保病毒能够在细胞内表达，同时还含有一个改造蛋白确保barcode能够和其他突触间传递的信息一起被传输。条形码和改造的蛋白不影响细胞的正常活动。
该技术的关键在于，确保每个细胞都被一个病毒颗粒感染，并且每个病毒颗粒标记了特有的barcode。如果一个以上的细胞含有相同的barcode，那就无法区分单个细胞，这样获得的是多个细胞的总体活动而不是单个细胞的活动。
为了减少这种可能性，研究人员制造了比需要标记的细胞数量更多的各不相同的barcode。这样就降低了两个不同细胞标记上相同barcode的几率。
接下来，研究人员将大量需要注射的病毒进行稀释，降低多个病毒颗粒感染多个细胞的概率。Kebschull说，这样一来很多细胞完全没有被标记，少量细胞则会感染两个病毒颗粒，但是与多个细胞含有相同的barcode相比，这只是一个小问题。
完成病毒感染后，最后进行RNA测序。通过测序鉴定出的barcode可以进一步追溯到起源细胞。
研究人员通过概念验证研究证明，这种技术可以追踪小鼠大脑蓝斑核（LC）区域单个神经元的活动。通过RNA原位杂交，研究小组首次确认含有barcode的病毒颗粒会感染神经元，而且这种标记不会影响神经元活动。
研究人员使用MAP-seq确定了四只小鼠体内标记的995个barcode的模式。他们将barcode标记的病毒文库注射到4只小鼠的LC区域，两天后，将小鼠的大脑进行解剖，然后对来自嗅球的组织样本和来自皮层的22个不同切片进行RNA测序。
作者写道，通过观察这种模式发现，神经元以多样性和特异性的方式投射到特定靶点，对某些区域的支配比其他区域强数百倍。这个发现与利用传统批量追踪得到的简单预测形成鲜明对比。例如，研究人员发现一些神经元仅投射到嗅球区域，一些仅投射到皮层区，还有一些则会同时投射到两个区域。
Kebschull表示，研究人员正在对该方法进行调整，以改善它并使其通量更高，但它基本上已经可以使用了。该小组已经就一些具体的项目与其他研究小组合作，例如研究不同的疾病模型。Kebschull的实验室正在使用这种方法研究自闭症，因为研究者们认为大脑连接在该疾病中起到了重要作用。
这种技术还可以用于药物研究。Kebschull说，利用MAP-seq技术标记潜在的药物靶点，然后干扰这些靶点，可以观察干扰不同靶点产生的影响，而且是在同一时间内观察到对成千上万个靶点的影响。
神经科学实验室可能具有病毒感染和大脑解剖方面的专业知识，但没有测序和信息分析能力。Kebschull所在的实验室正在冷泉港建立提供MAP-seq服务的工厂，实验室可以将样本送去处理分析，只需要支付服务成本费用。
