神经元是大脑的主要功能单位。这些细胞中传递的信号——以电波的形式——导致所有思维、感觉、运动、记忆和情感。

塞达斯-西奈医学中心的研究人员利用计算机模型来弥合“试管”神经元数据和这些细胞在大脑中的功能之间的差距。他们的研究有助于开发靶向特定功能的神经元类型治疗神经系统疾病和障碍的方法。该研究发表在《Nature Communications》杂志。

"这项工作让我们将大脑看作复杂的机器，而不是一块均质的组织。"塞达斯-西奈医学中心神经病学、神经外科和生物医学科学部门的研究科学家Costas Anastassiou博士说道。"一旦我们能够区分不同的细胞类型，我们就不再说整个大脑患有某种疾病，而是可以问哪些神经元类型受到了疾病的影响，并针对这些神经元进行治疗。"

该研究利用实验室小鼠的数据建立了一种新的方法，用于研究神经元类型和功能之间的关系，并专注于小鼠的原始视皮层（primary visual cortex，用于接收和处理视觉信息）。这是大脑最好研究的部分之一，既可以在离开生物体的培养皿或试管中进行体外（in vitro）研究，也可以在活体动物中进行体内（vivo）研究。

“基于对基因组构成和物理结构的体外研究，我们对各种类神经元的形态有一定了解，但不知道它们在活体大脑中的功能。” Anastassiou说，“当我们在体内记录脑细胞的活动时，我们可以看到哪些神经元正在响应以及它们的功能是什么，但不知道它们属于哪一类神经元。”

为了将形态与功能联系起来，研究人员首先利用离体（in vitro）信息创建各种类型的神经元的计算模型，并模拟它们的信号传递模式。接下来，他们利用最新的单神经元记录技术，在实验室小鼠的大脑中观察它们在不同类型的视觉刺激下的活动。根据神经元在视觉输入反应中信号或“尖峰”的形状，研究人员将记录的细胞分成了六组。

"一旦我们拥有了计算模型和体内数据，最根本的问题是哪些计算模型与我们所确定的六个体内细胞簇中的某一个产生了最相似的信号形状和波形，反之亦然，" Anastassiou说。"并非所有体内细胞簇和模型都完全匹配，但总有一些是匹配的。"

可能需要更多数据和更复杂的视觉刺激实验来匹配所有计算模型和细胞聚类，Anastassiou表示未来的研究将致力于完善当前论文中建立的方法。

“人类大脑细胞类型的身份有很多信息，但我们不知道它们在认知功能或受疾病影响方面扮演的角色，” Anastassiou表示。“现在，我们有了一个窗口可以观察并提出这些问题。显然，我们还有很长的路要走，但我们对接下来的研究满怀兴奋。”

“我们的研究科学家不断努力扩展我们对人类大脑运作的最详细水平的了解，” Cedars-Sinai神经外科部主席、Ruth和Lawrence Harvey神经科学讲座教授Keith L. Black博士说。“确定每个神经元的特定类型和功能可能在将来某一天会研发出治疗脑疾病和神经障碍疗法。”

大脑由许多细胞类别组成，但尚无法识别和监测其在运动动物体内的电生理记录和活性。本文中，我们采用了系统性方法，通过计算建模和光标记实验，将细胞的多模态体外特性与体内记录的细胞单元相链接。我们在小鼠视皮层中发现了两个单通道和六个多通道细胞簇，具有不同的体内活性、皮层深度和行为特征。使用生物物理模型将这些细胞簇映射到具有独特形态、兴奋性和传导特性的特定体外类群，以解释它们不同的细胞外信号和功能特性。通过两个抑制类群的基准实验验证了这些概念，揭示了它们不同的体内特性。这种多模态方法提供了一种从源头鉴定体内细胞簇并推断其细胞特性的有力方式。

阅读原文内容：

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230425205331.htm

查看原文信息：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37844-8

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