專訪江小龍：3項新技術+反復枯燥的實驗=里程碑式成果

　　窮其一生我們大多數人都在渴望突破，但突破就像喵星人的尾巴，在追逐的過程中令人筋疲力竭，找到好的方法可能會事半功倍，那么要想獲得一份科學突破，是百分之九十九的汗水更重要，還是百分之一的靈感更重要呢？也許每個人都有自己的答案，但對于貝勒醫學院的江小龍博士來說，應該兩者都很重要。

　　 上個月江博士研究組公布了一項具有里程碑意義的成果：繪制了迄今為止最為詳盡的大腦連接圖譜。他們詳細地分析了超過2000個成年小鼠視覺皮層神經元的形態和電生理特征，同時也測試了這些細胞間超過11000對連接可能性。這種詳細的神經連接圖譜對于今后大量神經疾病和精神疾病的研究意義重大。

　　 這一研究成果公布在Science雜志上，同領域學者不僅對研究成果表示驚嘆：“這里的每個實驗數據和分析內容都是令人印象深刻的杰作”，而且也折服于其實驗工作量：“這項研究的工作量令人驚嘆”。為此生物通特聯系了江小龍博士，就這項重要成果的方方面面請教了他。

　　神經圖譜研究困難重重

　　 早在19世紀，科學家就意識到大腦皮層是一個分層結構，六個層次中每一層的神經細胞類型和連接方式都不盡相同。而一旦了解了整個大腦皮層的連接圖譜，科學家就有可能更精確地將大腦解剖學、遺傳學和相關疾病聯系起來研究，意義十分重大。

　　 然而時至今日，繪制大腦皮層的神經連接圖譜依然只停留在初步階段，就是對皮層的微神經網絡，我們對它的連接方式也知之甚少。這主要是因為現有一些經典方法的固有局限性。首先由于很難獲取高質量的成年動物大腦組織切片，因此成年小鼠的大腦神經元研究一直受阻；其次，經典分析技術膜片鉗一般僅局限于記錄單個細胞的電活動，最多同時記錄兩個神經細胞；此外還有一些分類方法不能充分區分某些抑制性神經細胞，造成神經元分類無法實現。

　　三項最新技術

　　 為了解決這些問題，來自貝勒醫學院，德國蒂賓根大學等處的研究人員做了許多嘗試與優化，他們優化了已有關于成年腦組織樣品切片和準備的實驗操作過程，確保可大規模記錄真實可靠的成年動物的電生理數據。然后按下電位記錄同時檢測每個大腦切片中8個細胞，這種技術也就是八倍全細胞記錄（octuple whole-cell recording）。最后研究組將中間神經元染色，揭示了這些神經元的分枝軸突和樹突形態。

　　 “總體來說，我們之所以能夠讓這項研究可行，主要采用了三種最近研發的技術，”江博士說，“其中包括：

　　 制備成年動物腦片的技術：MIT的一個研究組最近報道他們發展了一種新的制備成年動物腦片的技術，可以極大的提高腦細胞在腦片中的存活率。我們采用了并優化了他們的配方，制備出高質量的成年動物腦片；

　　 多通道同時記錄的膜片鉗技術：膜片鉗技術是一項在上世紀70年代發明，并于90年代獲得諾貝爾獎的技術。這項技術主要用來高分辨率地記錄細胞跨膜的微小電活動，一般僅局限于記錄單個細胞的電活動，最多同時記錄兩個神經細胞。這些年我們已經研發出可以同時記錄8-12 神經細胞的技術。這項技術的優勢是可以高效的研究各個神經細胞之間是如何連接的。我們在高質量的成年動物腦片運用這項核心技術，使得我們能夠在世界上第一次進行這項大規模的成年動物腦的神經網絡研究；

　　 高質量的細胞染色技術：我們研發出一種可以高質量顯示神經細胞的完整形態結構的染色技術，這項技術允許我們根據神經細胞的完整形態結構來進行細胞分類。”

　　 為了能了解這些細胞的形態，江博士花費了許多時間，在顯微鏡下進行手工操作，“每次實驗我們只能獲取最多8-12的細胞，詳細分析他們的各種特性。為了找到一些小樣本的細胞種類，必須不停的重復實驗，記錄大量的細胞。實驗非常枯燥。”

　　最為詳盡的大腦連接圖譜

　　 神經細胞可以歸類為兩大類：興奮性神經細胞和抑制性神經細胞（也叫中間神經元）。興奮性神經細胞比較相似，而抑制性神經細胞非常多樣性。怎樣把多樣性的抑制性神經細胞有效的分類一直是神經科學的一個難題。

　　 根據這些細胞的形態結構特征和電生理性質，研究人員發現了15種不同的中間神經元類型，其中許多都是之前未曾發現的。這些神經元中有些具有不同于之前大腦研究發現神經元類型的特征，研究人員認為這也許是隨著年齡增長而出現的新型神經元。

　　 江博士解釋道，“先前采用的一些分類方法 （比如表達特異性生物分子標記物）顯得太粗糙，并不能充分地區分某些抑制性神經細胞。在這個研究中，我們把抑制性神經細胞所有特性（包括生物分子標記物，細微組織結構， 電生理特性）都考慮進去，運用一種當前最綜合的分類方法，發現抑制性神經細胞的種類遠比先前知道的更多。比如就我們研究的皮質細胞層來說，一共有15類抑制性神經細胞。很多種類以前從來沒有被報道和描述過。這意味著神經細胞的分類必須采用最綜合的分類方法才能真正的區分高度多樣性的抑制性神經細胞。”

　　 更重要的是，這15類抑制性神經細胞都有它們固有的連接模式。根據他們的連接方式，這些中間神經元種類可分成三個組群：作為“主體”的中間神經元（投射支配周圍幾乎所有神經元）、只投射支配其它中間神經元的中間神經元、投射支配錐體神經元和他們自己的中間神經元。

　　 同時，研究組成員還分析了神經元之間的1680種神經連接，通過分析這眾多的模式，研究人員發現神經元之間的連接可能性在水平方向要比垂直方向上下降的更快。從多個方面來看，這項研究毫無疑問為科學家們破譯哺乳動物大腦皮層的復雜性提供了更進一步的信息資料。

　　 這項研究是這些年第一次在成年動物大腦上做的大規模功能研究。研究發現成年動物大腦在很多方面的確和已報道的幼年動物腦不一樣。

　　 江博士解釋說，“離體腦片膜片鉗技術是一項腦研究的經典方法。然而，這些技術有一個很大的局限性，那就是只能運用到耐缺氧能力較強的幼年動物的腦組織上。如果用標準的制備方法，人們很難利用成年動物的腦組織制備出高質量的腦片。因而運用膜片鉗技術在成年動物腦片上研究大腦功能非常難，這樣的研究在過去的幾十年少之又少。”

　　是否可以應用于疾病分析與人腦

　　 這項研究對今后大量神經疾病和精神疾病的研究具有里程碑式的意義。先前的研究已經提示神經疾病和精神系列疾病歸根結底是因為神經細胞之間連接出錯。盡管先前大量的研究已經找到各個疾病的病因，但這些病因如何導致神經細胞之間出現連接錯誤，以及是哪些神經細胞連接出錯，對這些問題大家還不是十分清楚。

　　 “我們的研究提供了一個正常動物神經細胞之間連接模式的模板。如果利用疾病的動物模型來對照這個模板，將來的研究應該可以找到每個疾病特有的連接出錯，從而為開發出更有效的治療模式提供一個途徑”，江博士說。

　　 那么未來這項研究是否可以應用于人腦呢？

　　 對于這個問題，江博士審慎的回答道，“對所獲得的結果是否可以用于人類，我們目前還不敢輕易下結論，畢竟沒人知道人腦和小鼠腦的異同點，但我們相信一定有相似的地方。更重要是，我們的方法和研究模式完全可以用于人腦。”

　　 “下一步我們將會把當前的研究擴展到所有的皮層細胞層（包括4 和6 層），建立完整的皮層微神經回路的連接圖譜，或者嘗試將這一方法用在疾病動物模型上，當前主要集中在研究癲癇和自閉癥上，以及嘗試把我們的方法用在靈長類的皮層上，建立完整的靈長類皮層微神經回路的連接圖譜。”

　　作者簡介：

　　江小龍，1998畢業于浙江大學醫學院。2007年于美國國防醫科大學獲得神經科學的博士學位。現供職于美國休斯頓貝勒醫學院神經科學系。