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研究人员利用基因测序和机器学习对果蝇大脑中超过25万个神经元进行分类，创建了一个神经元基因表达的“发育图谱”。他们的研究发现，神经元在发育过程中表现出最丰富的分子多样性，并揭示了一种先前未知的神经元类型，这种神经元只出现在果蝇孵化之前。

纽约大学(New York University)的研究人员利用基因测序和机器学习对果蝇大脑中超过25万个神经元进行分类，创建了一个神经元基因表达的“发育图谱”。他们发表在《自然》杂志上的研究发现，神经元在发育过程中表现出最多的分子多样性，并揭示了一种以前不为人知的神经元类型，这种神经元只出现在果蝇孵化之前。

“组成我们大脑的不同细胞类型的多样性只能根据它们的发展史来充分理解，”纽约大学生物学教授Claude Desplan说，他是这项研究的资深作者。

大脑是由数千种不同类型的神经元组成的。尽管共享相同的遗传信息，神经元通过在每个神经元类型及其发育的每个阶段开启不同的基因集来实现这种多样性。

为了了解脑细胞的多样性，研究人员对果蝇进行了长期的研究，果蝇的大脑虽然比人类的大脑简单得多，但可以用作模型系统。此前，研究人员发现，果蝇的视觉叶由大约6万个细胞和200种神经元组成。视觉叶是大脑中处理视觉信息的区域，包括颜色视觉和对物体和运动的探测。

在《自然》杂志上发表的一项新研究中，Desplan实验室的研究人员试图全面描述视觉叶神经元的多样性，并构建一个基因表达的“发育图谱”，比较成年果蝇大脑中的细胞，探索发育过程中的差异。

研究人员利用最近发明的一种名为单细胞mRNA测序的技术，创建了他们的“图谱”。单细胞mRNA测序技术允许他们捕获并测序超过25万个单细胞的mRNA。使用机器学习方法的组合，他们在整个发育过程中将每个细胞分配到一个特定的细胞类型。

“我们的数据集几乎完全解释了已知的视觉叶的神经多样性，可以作为一个范例来理解跨物种的大脑发育，”纽约大学的博士后，同时也是这项研究的主要作者之一的Neset Ozel说。“‘图谱’为研究界提供了巨大的资源:我们现在可以简单地查找特定基因在我们选择的任何细胞类型中是否活跃，以及在它发展的任何时候。”

在构建“发育图谱”的过程中，研究人员有了一些发现。首先，他们在果蝇身上发现了一种全新类型的神经元，这种神经元在果蝇发育过程中只存在于视觉叶的表面，但在果蝇孵化前通过程序化细胞死亡而被移除。

“尽管我们尚不清楚这些功能未知的神经元,神经元具有非常相似的属性——叫做Cajal-Retzius细胞也存在于哺乳动物的大脑,他们是适当的大脑发育的关键,”菲利克斯西蒙说,生物学博士生在纽约大学和其他研究的主要作者。

此外，研究人员还发现，与成年神经元相比，神经元在发育过程中表现出最高水平的分子多样性，这使得发育过程中的细胞能够与特定的伴侣细胞形成连接——并避免错误的细胞。因此，虽然神经元在成人大脑中的生理特性可能是相同的，但它们的发育历史可以使它们获得不同的特征和功能。

这对神经发育障碍的研究有很大的意义。神经回路功能的中断可能完全是由于某些遗传程序的缺陷造成的，这些遗传程序在发育过程中只是短暂活跃，仅凭最终结果是无法理解的，”Ozel解释道。

最后，研究表明，在大脑的上部和下部，形状相同的神经元可以表达不同的基因。这些差异使得果蝇能够根据它们接收到的视觉信息进行不同的计算——例如，天空和地面。