美国脑BRAIN计划——脑细胞筛查研究进展

脑科学主要研究大脑的结构与功能以及两者之间的关系，被认为是最前沿的基础研究科学之一。美国1989年率先提出全国性的脑科学计划，并于2013年推出以创新技术为主导、且与“人类基因组”计划相媲美的BRAIN计划。BRAIN计划明确指出要发展能大规模检测神经活动的创新技术，开发研究神经环路的工具与成像技术。作为BRAIN计划阶段性项目——脑图谱筛查，已经取得令人印象深刻的进展。

一、BRAIN计划脑细胞筛查研究简介

2014年，作为美国“脑计划”第一阶段研究——“脑计划细胞普查联盟”（BRAIN Initiative Cell Census Consortium，BICCC）启动，研究专注开发高通量、高精度的研究工具来表征和分类脑细胞类型；2017年，伴随BICCC研究的持续拓展，“脑计划细胞普查网络”（BRAIN Initiative Cell Census Network，BICCN）项目正式形成，项目是在整合了脑细胞的分子学、形态学、生理学和解剖学特性基础上，进一步优化脑细胞类型分类，识别和编目小鼠、弥猴以及人类大脑中不同的细胞类型，并靶向每种细胞类型方法；2022年，作为BRAIN计划的第二阶段研究——“脑计划全细胞图谱网络”（BRAIN Initiative Cell Atlas Network，BICAN）启动，目标是在5年内绘制出一个完整的人类大脑细胞类型图谱。其中，BICCN作为第一阶段研究的重要组成内容，已经取得世界级高水平研究成果。

二、BICCN深度挖掘神经细胞的分类与分型

BICCN项目通俗理解与人口普查类似，“细胞普查”面向的是各种类型的所有脑细胞，分析和记录这些细胞的形状、特征、数量、位置、电活动信号等综合信息，然后汇总信息编制成目录。

1. BICCN项目研究目标

项目实施的具体目标包括：（1）基于大脑区域中神经元形态、连接性和电生理学的系统表征，进行大规模单细胞转录组学和表观遗传学分析，从而创建小鼠大脑中细胞类型的高分辨率图谱；（2）筛查每种细胞类型的数量和位置，针对特定细胞类型开发新遗传工具；（3）分析非人灵长类动物的细胞类型，为研究灵长类动物大脑的神经回路奠定基础；（4）绘制不同发育阶段的人脑细胞类型图谱。2. BICCN项目研究团队信息

BICCN项目由美国国家卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）主导，麻省理工学院、美国艾伦脑科学研究所等多个科研机构进行项目研究的分工与执行。BICCN已建平台包括26个研究团队，分别聚焦细胞分型、脑研究方法与工具、模式动物图谱构建、数据集成等研究领域（见下图）。追溯官网（https://biccn.org/），对BICCN中承担包括U01、U19、U24、RF1、R24不同项目代码的科研项目团队信息进行整理（见下表）。

图 BICCN项目结构与任务分工

表 BICCN脑细胞普查网络项目团队信息

序号	研究团队	项目名称	立项机构	主要人员组成
1	U01 - Chung	Towards Integrated 3D Reconstruction of Whole Human Brains at Subcellular Resolution基于亚细胞分辨率的全人脑3D重建集成研究	麻省理工学院	Kwanghun Chung（PI）
				Laura Brattain（Co-I）
				Matthew P. Frosch（Co-I）
				H. Sebastian Seung（Co-I）
				Van Wedeen（Co-I）
2	U01 - Dong	Anatomical Characterization of Neuronal Cell Types of the Mouse Brain 小鼠大脑神经元细胞类型的解剖学特征	南加州大学	Hong-Wei Dong（PI）
				Giorgio A. Ascoli（PI）
				Byung Kook Lim（PI）
				Ian Wickersham（Co-I）
				Houri Hintiryan（PM）
3	U01 - Ecker	Epigenomic cell-type classification and regulatory element identification in the human brain 人脑表观基因组细胞类型分类和调控元件鉴定	索尔克生物研究所	Joseph Ecker（MPI）
				Margarita Behrens（MPI）
				Bing Ren（Co-I）
				Ed Lein（Co）
4	U01 - Feng	A Molecular and Cellular Atlas of the Marmoset Brain 狨猴大脑的分子和细胞图谱	麻省理工学院	Guoping Feng（PI）；Edward Boyden（Co-I）；Steven McCarroll（Co-I）
5	U01 - Fischl	Imaging and analysis Techniques to Construct a Cell Census Atlas of the Human Brain 构建人脑细胞普查图谱的成像和分析技术	马萨诸塞州总医院	Bruce Fischl（PI）；David Boas（PI）；Patrick R. Hof（Co-I）；Francesco Pavone（Co-I）
6	U01 -Kriegstein	A Cellular Resolution Census of the Developing Human Brain 人类大脑发育的细胞分辨率普查	加州大学旧金山分校	Arnold Kriegstein（PI）；Eric Huang（Co-I）；Tomasz Nowakowski（Co-I）；Alexander Pollen（Co-I）；et al
7	U01 - Lein	A Multimodal Atlas of Human Brain Cell Types 人脑细胞类型的多模式图谱	艾伦脑科学研究所	Ed Lein（PI）；Sten Linnarsson（Co-I）；Gábor Tamás（Co-I）；Huib Mansvelder（Co-I）；Idan Segev（Co-I）
8	U01 - Osten	Collaboratory for Atlasing Cell Type Anatomy in the Female and Male Mouse Brain 雌性和雄性小鼠大脑细胞类型解剖图谱合作实验室	冷泉港实验室	Pavel Osten（PI）
				Sebastian Seung（Co-I）
				Uygar Sumbul（Co-I）
				Zhuhao Wu（Co-PI）
9	U01 -Snyder - Mackler	Single cell transcriptional and epigenomic atlas of the macaque brain across the lifespan 猕猴整个生命周期的单细胞转录和表观基因组图谱	华盛顿大学	Noah Snyder-Mackler（MPI）；Michael Platt（MPI）；Jay Shendure（MPI）
10	U01 – Yang	Dendritome Mapping of Genetically-Defined and Sparsely-Labeled Cortical and Striatal Projection Neurons 遗传定义和稀疏标记的皮质和纹状体投射神经元的树突状图谱	加州大学洛杉矶分校	X. William Yang（MPI & Contact PI）
				Hong-Wei Dong（MPI）
				Jason Cong（Co-I）
11	U01 – Zhang,Kun	Toward a Human Adult Brain Cell Atlas with Single-Cell Technologies 利用单细胞技术构建人类成人脑细胞图谱	加州大学圣地亚哥分校	Kun Zhang（PI）
				Jerold Chun（PI）
				Peter Kharchenko（PI）
				Peter Kharchenko（Project Scientist）
				Benjamin Siddoway（Research Specialist）
12	U01 - Zhang, Li	Cell Atlas of Mouse Brain-Spinal Cord Connectome 小鼠脑脊髓连接组细胞图谱	南加州大学	Li I. Zhang（PI）
				Hong-Wei Dong（PI）
				Guoqiang Bi（Co-I）
				Long Cai（Co-I）
				Huizhong Tao（Co-I）
				Yimin Zou（Co-I）
				Kun Zhang（Co-I）
13	U19 - Ecker	Center for Epigenomics of the Mouse Brain Atlas 小鼠大脑图谱表观基因组学中心	索尔克生物研究所	Joseph Ecker（PI）
				Edward Callaway（PI）
				Margarita Behrens
				Hong Wei Dong
				Eran Mukamel
				Xin Jin
				Kuo-Fen Lee
				Bing Ren
14	U19 - Huang	A Comprehensive Center for Mouse Brain Cell Atlas 小鼠脑细胞图谱综合中心	冷泉港实验室	Z. Josh Huang；Paola Arlotta；et al
				Xiaowei Zhuang
				Evan Macosko；Aviv Regev；et al
				Hong-Wei Dong
				Michael Miller；John Tilak Ratnanather
				Qingming Luo
				Hui Gong
15	U19 - Zeng	A Comprehensive Whole-Brain Atlas of Cell Types in the Mouse 小鼠细胞类型的综合全脑图谱	艾伦脑科学研究所	Hongkui Zeng（PI）
				Lior Pachter（MPI）
				Xiaowei Zhuang（MPI）
				Andreas Tolias（MPI）
16	U24 - Hawrylycz	A Community Resource for Single Cell Data in the Brain 大脑中单细胞数据的社区资源	艾伦脑科学研究所	Michael Hawrylycz；Lydia Ng；James Gee；Maryann Martone；Anthony Philippakis
17	RF1 - Chung	Highly specific, renewable, and cost-effective antibody toolbox for 3D proteomic phenotyping of the brain 用于大脑3D蛋白质组表型分析的高度特异性、可再生且经济高效的抗体工具箱	麻省理工学院	Kwanghun Chung（MPI）
				Heng Zhu（MPI）
				Daniel Eichinger（MPI）
				Ignacio Pino（MPI）
18	RF1 - Mueller	Accessible technologies for high-throughput, whole-brain reconstructions of molecularly characterized mammalian neurons 用于分子特征哺乳动物神经元高通量全脑重建的可用技术	约翰霍普金斯大学	Ulrich Mueller（PI）；Micheal I. Miller（Co-I）；Dwight Bergles；Solange Brown（Co-I）；Jayaram Chandrashekar（Co-I）；Jeremiah Cohen（Co-I）；Joshua Dudman（Co-I）；Jan Funke（Co-I）；Don Geman（Co-I）；et al
19	RF1 - Nowakowski	Mapping Developmental Lineage Relationships in the Cerebral Cortex 绘制大脑皮层的发育谱系关系	加州大学旧金山分校	Tomasz Nowakowski（PI）；Jonathan Weissman（Co）；Bosiljka Tasic（Co）；Rafael Gomez-Sjoberg（Co）；Maximilian Haeussler（Co）；et al
20	RF1 - Regev	Scaling up spatial RNA profiling with compressed sensing 利用压缩传感扩大空间RNA分析	布罗德研究所	Aviv Regev（MPI）；Yonina Eldar（MPI）；Samouil Farhi（Co-I）；Brian Cleary（Co-I）
21	RF1 - Tasic	Cell class- or type-specific viruses for brain-wide labeling and neural circuit examination 用于全脑标记和神经回路检查的细胞类或类型特异性病毒	艾伦脑科学研究所	Bosiljka Tasic（PI）
				Tanya Daigle（Co-I）
				Hongkui Zeng（Co-I）
22	RF1 - Tilgner	Single cell isoform expression across mouse brain regions and development 小鼠大脑区域的单细胞亚型表达和发育	康奈尔大学威尔医学院	Hagen Tilgner（PI）
23	R24 - Ghosh	DANDI: Distributed Archives for Neurophysiology Data Integration DANDI：神经生理学数据集成的分布式档案	麻省理工学院	Satrajit S. Ghosh（MPI）；Yaroslav O. Halchenko（MPI）；Michael Grauer（Co-I）；Ben Dichter（Consultant）；Matt van der Meer（Co-I）；Mark Harnett（Co-I）；Jakob Voigts（Co-I）
24	R24 - Hertzano	Illuminating Neurodevelopment Through Integrated Analysis and Visualization of Multi-Omic Data 通过多组学数据的综合分析和可视化阐明神经发育	马里兰大学医学院	Ronna Hertzano（PI）；Owen White（MPI）；Seth Ament（Co-I）
25	R24 - Ropelewski	A Confocal Fluorescence Microscopy Brain Data Archive共聚焦荧光显微镜脑数据档案	匹兹堡超级计算中心	Alexander Ropelewski（PI）；Simon Watkins（PI）；Marcel Bruchez （PI）；Kathy Benninger ；Jacob Czech ；Greg Hood ；Greg Fisher ；Derek Simmel ；Alan Watson ；Art Wetzel
26	R24 - White	A BRAIN Initiative Resource: The Neuroscience Multi-omic Data Archive BRAIN Initiative 资源：神经科学多组学数据档案	马里兰大学	Owen White（PI）；Seth Ament（Co-PI）；Michelle Giglio（Co-I）；Anup Mahurkar（Co-I）；Lynn Schriml（Co-I）
注：标红为华裔人员 PI：Principal Investigator；Co-I：Co-investigator;；PM：Project manager；MPI： Multiple Principal Investigator；Co：Collaborator

3. BICCN项目取得的重要研究成果

美国脑计划细胞普查网络项目BICCN作为NIH主导的重要项目，已经在分子水平完成了对包括人类在内的一些哺乳动物初级运动皮层大脑细胞类型的图谱绘制，意味着美国BRAIN脑计划第一阶段研究工作完成。BICCN项目执行过程中取得如下重要研究成果：

（1）BICCN研究团队协同开发人脑、猴脑和小鼠脑中细胞类型的综合参考图谱。研究人员从运动皮层的数百万个细胞中获得一系列单细胞转录组和表观基因组测量值来创建跨物种、数据驱动的脑细胞类型框架；结合电生理学、形态学和电路追踪方法来表征所发现的脑细胞类型；利用来自单细胞转录组和表观基因组分析的数据识别独特的基因标记，这些标记定义了在初级运动皮层中发现的不同细胞类型。经研究发现：在小鼠、猴子和人类大脑中具有相似的细胞类型，也发现不同物种脑细胞基因表达的重要差异，这种差异可能是3个物种处理神经信息方式发生变化的原因之一。有关研究已经在不同时期以论文连载的方式刊发在《科学》等国际高水平期刊。

（2）BICCN创建了一个全面的“参考资料库”，该资料库存储着哺乳动物初级运动皮层中的不同细胞类型，同时包括以上细胞的比例、空间分布、解剖学和生理学特征以及分子遗传图谱等信息。每个BICCN项目都为基于转录组学和表观遗传学、形态学和连通性以及细胞生理特征的细胞类型多模态分类提供可公开访问的数据。目前，BICCN项目的相关公开数据可以通过下述四个数据库获取，它们分别是：BICCN Data Inventory、Neuroscience Multi-Omic Archive（NeMO Archive）、Brain Image Library（BIL）以及Distributed Archives for Neurophysiology Data Integration（DANDI）。

三、BICAN研究的未来目标

BICAN是BICCN项目的进阶研究。作为起步不久的大型研究项目，艾伦脑科学研究所的主要研究者明确表示：BICAN将使用与BICCN类似的研究方法，但规模更大。研究结果将为神经科学的人类基因组计划提供参考。

对于该项野心勃勃的研究，现阶段可以肯定的是与BICCN研发工具完全不同，BICAN将对整个人脑的神经细胞和非神经细胞进行特征描述和图谱绘制。人脑约有2000亿个细胞，体积是小鼠大脑的1000倍，项目无论从体量还是完成深度将更具挑战性。此外，索尔克生物研究所将主导BICAN表观遗传学研究，尝试涵盖人类从成长到衰老的整个跨度。该研究的开展已将人脑研究推向相对更为宏观的层面。

主要参考资料：

根据公开资源整理