为了更好地理解并潜在地治疗一系列影响早期认知、神经发育和晚年大脑的疾病，约翰霍普金斯医学中心的研究人员与全球同事一直在绘制人类大脑的分子构建图。这些模型部分由联邦和国际研究资助支持，正在帮助研究人员研究从自闭症谱系障碍到阿尔茨海默病等多种疾病中涉及的遗传联系和通路。
为了支持这一蓝图，约翰霍普金斯医学中心神经学兼职教授、马里兰大学医学院基因组科学研究所的Carlo Colantuoni以及其他研究人员，在最近的研究中汇集了近200项已发表研究和超过3000万个细胞的数据，以加深对新皮层（大脑最外层）如何随时间发展和形成的认识。这个大脑区域负责多种功能，包括我们如何思考、感知、处理和存储信息，以及做出决策。
要点
- 约翰霍普金斯大学的研究人员与全球同事一直在绘制人类大脑的分子构建图。
- 来自近200项已发表研究和超过3000万个细胞的数据被用于推进我们对新皮层的理解，该皮层负责我们如何思考、感知、处理和存储信息，以及做出决策。
- 一个新的开放获取网络门户将支持全球对人类大脑发育和疾病的研究。
- 这项研究部分由联邦和国际研究资助支持。
Colantuoni说：“我们的目标是理解新皮层如何在细胞水平上构建，并找出发育迟缓和脑部疾病早期阶段的线索。通过绘制产生新皮层复杂结构和功能的细胞转变和基因图谱，我们可以更好地理解，然后尝试治疗在子宫内、婴儿期、童年期甚至更晚的时期出现的疾病。”
这个增强的图谱将帮助研究人员研究自闭症谱系障碍的遗传联系，该病影响美国约1/31（即3%）的儿童。它还可以为小头畸形等罕见疾病提供见解，这种疾病可能在出生前开始，并严重影响大脑的生长。将这些信息汇集在一起——现在可通过《自然》和《自然神经科学》获取——的优势在于，研究人员可以研究发育的精细阶段，以识别典型的生长模式，然后准确定位神经发育迟缓和疾病的起源和通路。
除了绘制人类新皮层模型外，作者还发表了哺乳动物和小鼠模型。这些不同的图谱显示，数百万年前作为扩散网络开始的基因表达程序，在更近的时期中被集中在人类神经干细胞中，以驱动人类新皮层的扩张。研究人员表示，这一过程有助于解释人类与其他动物相比更高的认知能力差异。
利用积累的数据，研究人员还绘制了人类新皮层中神经元的成熟过程，这一过程在进化时间上变得更长，因为人类新皮层和心智能力已经扩张。例如，这种神经发育在小鼠中需要数周，但在人类中需要多年。这代表了高级系统的差异，使人类大脑能够在较长的发育期内适应和学习如何解释复杂的社会、环境和感官输入。
这些资源现在可通过一个开放获取网络门户获取，以赋能其他研究人类大脑发育和疾病的研究人员。Colantuoni说，总的来说，这些和其他大脑图谱绘制工作旨在帮助研究人员研究整个生命周期中脑部疾病的机制，并提供一种工具来更好地支持和加速日常研究。
没有编程专业知识的研究人员可以探索感兴趣的单基因表达模式，绘制在发育过程中以特定方式协同工作的基因模块的协调表达，并贡献他们自己的数据来扩展该资源。
此前，通过推进创新神经技术的大脑研究（BRAIN）计划的努力，已经生成了人类和小鼠脑细胞普查，该普查对哺乳动物大脑中细胞类型的多样性进行了分类。其他项目正在探索阿片类药物的使用如何影响HIV感染者的脑部，内耳中的毛细胞如何再生以恢复听力，以及细胞通路在痴呆症（包括阿尔茨海默病）中如何分布，据估计，阿尔茨海默病影响超过700万美国成年人，包括65岁及以上人群中的1/9（即11%）。
这些脑图谱研究得到了更广泛努力的补充，以绘制整个人体的细胞景观，包括人类细胞图谱（HCA）。HCA成立于2016年，旨在将全球研究人员聚集在一起，创建开放获取资源，以绘制人体中的每一个细胞。2024年，专家们发表了来自40多篇论文的见解，这些论文检查了来自近10,000名人类的6200万个细胞。
HCA及相关研究已经导致发现了新的肺细胞，更深入地了解了身体如何应对感染，并识别了共同协作以帮助心脏跳动、调节心率以及实现全身器官之间通信的细胞网络。
Colantuoni说：“我们生活在一个前所未有的时代，利用技术协调和分析大型数据集、与全球研究人员合作、并跨疾病状态利用见解的进步，对于确定能够拯救和改善生命的新疗法至关重要。随着这些倡议达到重要里程碑，我们也看到研究人员合作和使用这些图谱的方式才刚刚开始。”
Colantuoni补充说，招募更多的学术和行业合作伙伴投资于这些竞争前数据探索空间至关重要，这将极大地扩大识别治疗脑部疾病的新型分子靶点。
他说：“结合人工智能算法来指导干细胞系统中的大规模筛选，这些资源有望实现对神经发育和神经退行性疾病患者的精准定制治疗。”
为了支持这一愿景，Colantuoni及其同事，包括约翰霍普金斯医学中心的Paul Worley、Jin-Chong Xu、Xiangyu Liao、Yuelin Lao，亚利桑那大学的Carol A. Barnes，以及转化基因组学研究所（TGen）的Matthew Huetelman和Ignazio S. Piras，还创建了一个专注于阿尔茨海默病的开放数据资源。
新皮层发育论文的其他作者包括Shreyash Sonthalia、Ricky S. Adkins、Joshua Orvis、Guangyan Li、Xoel Mato Blanco、Alex Casella、Jinrui Liu、Genevieve Stein-O'Brien、Brian Caffo、Ronna Hertzano、Anup Mahurkar、Jesse Gillis、Jonathan Werner、Shaojie Ma、Nicola Micali、Nenad Sestan、Pasko Rakic、Gabriel Santpere和Seth A. Ament。
新报告中描述的研究部分得到了PTE联邦奖、NIH研究资助、NIDCD/NIH院内研究计划、国际奖项以及约翰霍普金斯大学发现奖的支持。作者声明无利益冲突需要披露。
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