RNA条形码交织在一起，每个条形码对应一个神经元，指示神经元在大脑中的连接位置，使研究人员能够以更快的速度、更大的规模和更高的分辨率绘制神经连接图。图片来源：Michael Vincent
一种新的"条形码"技术正以前所未有的速度揭示大脑隐藏的布线结构。
科学家们创造了一种通过为每个神经元分配独特分子"条形码"来绘制脑细胞连接的新方法。利用这种方法，他们能够以前所未有的速度和细节追踪小鼠大脑中数千个神经元之间的连接。
这项技术可以帮助研究人员更好地理解复杂脑网络是如何组织的、如何运作的，以及出现问题时会发生什么变化。它还可能为神经退行性疾病的发展和进展提供新的见解。
"在设计计算机时，你需要了解中央处理器的电路。如果你不知道所有部件是如何连接在一起的，你就无法理解其功能、优化它，或在出现问题时进行修复。我们正以同样的方式研究大脑，"研究负责人、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校细胞与发育生物学教授赵博轩表示。
"我们的技术能够以单突触分辨率同时绘制数千个神经连接——这是当前任何技术都不具备的能力。它可直接应用于理解神经退行性疾病中的电路功能障碍，并可能为开发基于神经回路的治疗干预提供平台，"他补充道。
这些发现发表在《自然·方法》期刊上。
为何传统大脑映射如此具有挑战性
历史上，构建大脑地图一直缓慢而困难。研究人员通常不得不将脑组织切成极薄的切片，用显微镜对这些切片进行成像，然后手工重建路径。赵博轩表示，虽然较新的基于测序的工具可以同时标记多个神经元，但它们通常只显示神经元延伸的位置，而不是识别出在突触处与其连接的确切伙伴。
Connectome-seq将大脑布线转化为测序数据
为了克服这些限制，赵的团队开发了一种名为Connectome-seq的系统。该方法使用RNA"条形码"为每个神经元提供唯一标识。特殊蛋白质将这些条形码从神经元主体运输到突触，即两个神经元相遇的点。
到达那里后，突触连接被分离并使用高通量测序进行分析。通过读取哪些条形码配对一起出现，科学家可以确定哪些神经元是直接连接的，从而实现对神经网络的大规模映射。
"我们将神经连接问题转化为测序问题。想象一大捆气球。每个气球的主体上贴有其独特的条形码标签，有些会移动到绳子的末端。如果两个气球在末端绑在一起，两个条形码就会在连接点相遇，"赵解释道。"然后我们剪下绳结并测序每个绳结中的条形码。如果同一个绳结上有来自气球A和气球B的标签，我们就知道这两个气球绑在一起。我们在大脑中做的正是这件事，只不过是在数千个神经细胞的层面上。有了这些信息，我们可以重建一张复杂的地图，代表所有这些看似漂浮的群体之间的连接。"
在大脑中发现新的神经连接
利用Connectome-seq，研究人员绘制了小鼠脑中一个名为脑桥小脑回路的区域中1000多个神经元的连接图，该回路连接两个独立的脑区。这一分析揭示了以前未知的连接模式，包括在成年大脑中尚未显示连接的细胞类型之间的直接联系。
"我们实验室已经在进行改进，我们有信心可以使其更好，并最终实现绘制整个小鼠大脑的目标，"赵表示。
对阿尔茨海默病和脑部疾病的启示
由于Connectome-seq既快速又能覆盖大面积，它可能会加速对神经退行性疾病、精神障碍和其他神经系统疾病的研究。通过比较健康大脑与处于不同疾病阶段的大脑中的连接，科学家可能能够识别神经回路中的早期变化。
"基于测序的方法大大减少了时间和成本，这使得观察不同大脑之间的差异成为可能。我们可以看到连接在哪里发生变化，大脑最脆弱的部分在哪里，也许甚至在症状出现之前，"赵表示。"例如，如果我们能捕捉到究竟是哪里的薄弱环节引发了阿尔茨海默病的整个灾难性连锁反应，我们能否专门加强这些连接，使疾病减缓或不进展？"
参考文献："Connectome-seq：通过条形码测序实现单突触分辨率的神经元连接高通量映射"，作者：Danping Chen, Alina Isakova, Zhou Wan, Mark J. Wagner, Yunming Wu 和 Boxuan Simen Zhao，2026年3月12日，《自然·方法》。DOI: 10.1038/s41592-026-03026-9
该研究得到了斯坦福大学吴蔡神经科学研究所神经组学计划、Elsa U. Pardee基金会和Edward Mallinckrodt Jr.基金会的资助。
【全文结束】