近日，美国国立卫生研究院（NIH）宣布了一项5亿美元的计划BRAIN Initiative Cell Atlas Network（BICAN）。该计划通过为期五年的一系列资助，创建有史以来最详细的人类和灵长类动物脑细胞图谱和细胞相互作用图谱，为神经系统疾病研究提供信息。

BICAN被称为“大脑的人类基因组计划”，BICAN将通过单细胞测序、无创医学成像和先进的生物信息学分析来绘制大脑中约2000亿个神经元和其他细胞图谱。据悉，BICAN研究团队将对4到12名具有典型神经特征的非人类研究对象进行功能性核磁共振成像和单细胞测序，然后对类似数量的具有典型神经特征的人类进行单细胞测序，以帮助研究人员绘制大脑的功能组织图谱创建高质量标本，并增加来自数百个其他成人受试者的目标大脑区域的数据，以研究变异。

该项研究将结合RNA测序和ATAC-seq来评估基因表达和开放的染色质区域。大多数测序将在10x Genomics Chromium平台上运行，同时，该研究还将使用Vizgen的Merscope空间转录组学平台。

BICAN项目是“脑计划”的第三阶段

为揭开人类大脑的奥秘，2013 年，美国政府正式启动“脑计划”（BRAIN Initiative），通过推进创新神经技术深入探索人类大脑，以期发现预防、治疗甚至治愈各种大脑疾病及大脑相关疾病的新疗法。“脑计划”第一阶段——“脑计划细胞普查联盟”（BRAIN Initiative Cell Census Consortium，BICCC）项目专注于开发高通量、高精度的研究工具来表征和分类脑细胞类型。

2017 年，BICCC项目进一步拓展为“脑计划细胞普查网络”（BRAIN Initiative Cell Census Network，BICCN），目标是在整合脑细胞的分子学、形态学、生理学和解剖学特性的基础上，进一步优化脑细胞类型分类，针对哺乳动物大脑中的不同细胞类型进行识别和编号。

单细胞转录组学技术分析初级运动皮层（大脑中控制运动的区域）中的人类脑细胞类型多样性。图片来源：Allen研究所

BICAN项目是“脑计划”的第三阶段。此次，NIH计划为BICAN提供11项总价值5亿美元的资助。这笔资金的最大份额，即五笔拨款中的1.73亿美元，将捐给Allen研究所，以创建有史以来首个完整的人类大脑细胞图谱，以及狨猴和猕猴大脑图谱。由Salk生物研究所领导的另一个小组获得了1.26亿美元资助，用于创建多组学人脑图谱中心。该中心将尝试在细胞水平上绘制人脑图，以了解神经典型大脑如何运作和老化。

除了Allen研究所和Salk生物研究所外，来自美国、欧洲和日本的约20家机构也参与其中，包括Broad研究所、贝勒医学院、卡罗林斯卡学院、阿姆斯特丹自由大学、里昂第一大学等。

其余较小的资助包括向Broad研究所提供1490万美元，用于开发人类脑细胞变异图谱；向加利福尼亚大学旧金山分校提供3640万美元，用于研究人类和灵长类动物的大脑发育；并向加州大学洛杉矶分校的研究人员提供530万美元，用于绘制人类大脑发育过程中的细胞水平基因调控图谱。

Allen研究所领导绘制首个人脑细胞图谱

Allen研究所消息显示，其接受的1.73亿美元资助中约有1亿美元专门用于人类和非人类灵长类动物的大脑图谱。其余资金将用于支持项目协调和管理、开发网络平台，方便研究人员访问BICAN的研究结果，以及创建小鼠大脑地图。

2017年，NIH曾为Allen研究所提供了近1亿美元，用于建立大脑参考脑细胞图谱，为这项新项目奠定基础。“这些项目将使研究人员能够以前所未有的分辨率和规模探索人脑中超过2000亿个神经元和非神经元细胞的多方面特征。这是一项先进技术和跨团队研究合作的壮举，将揭示理解特定脑细胞群的病理变化如何导致神经和神经精神疾病的新范式。”NIH BRAIN计划主任John Ngai表示。

Allen研究所在脑图谱方面有着悠久的历史，于2006年推出了一个小鼠大脑基因表达的全基因组图像数据库——Allen脑图谱。该图谱包括名为3D Brain Explorer的浏览软件。五年后，Allen研究所推出了Allen人脑图谱，描述了两个成年人大脑中约1000个位点的基因表达和组织学模式。

人类(左)、狨猴(中)和小鼠(右)大脑中按脑细胞类型聚集的转录组数据，图片来源：Allen研究所

Allen脑科学研究所的高级研究员Ed Lein希望这些数据可以作为“开始了解疾病的细胞起源以及基因与细胞类型的联系的基础”。Lein指出，虽然体积大小不同，但小鼠和猴子大脑的细胞组成非常相似，可以推断出人类大脑的特性。该大脑图谱在完成时应该可以实现“任何研究任何疾病的人都将能够对照该图谱进行映射，并了解受影响的细胞种类或该特定疾病中特定种类细胞的分子途径。”

Allen研究所总裁兼首席执行官 Rui Costa博士表示：“我们很荣幸通过这些资助获得认可，很高兴能与世界各地的领先研究人员合作，构建人类大脑的第一张全面图谱。这个图谱将为神经科学，甚至医学研究打开新的大门。"

麻省理工学院McGovern研究所副所长、Broad研究所斯坦利精神病学研究中心模型系统和神经生物学主任冯国平表示，该项目旨在揭示脑细胞的进化目的，但更多重要的是，了解大脑功能和功能障碍。“在人类细胞水平上，人们可以做的事情非常有限，因为无法操纵细胞功能。”

冯国平表示，大脑比肝脏等其他器官复杂得多，肝脏的细胞类型往往会聚集在一起。“如果我们真的想了解任何大脑功能，我们必须了解细胞类型，了解它们如何相互连接，并形成功能回路。”

“该数据库将显著改善我们对与精神疾病和神经系统疾病相关的遗传变异研究，”受助者Chongyuan Luo表示。“更具体地说，数据集可以帮助发现介导脑部疾病风险的特定细胞类型和基因组区域。”

参考资料：

1.Allen研究所：Mapping the whole human brain: Allen Institute to lead global collaboration

https://alleninstitute.org/what-we-do/brain-science/news-press/articles/mapping-whole-human-brain-allen-institute-lead-global-collaboration

2.NIH Launches $500M Effort to Map Cells of the Human Brain

https://www.genomeweb.com/research-funding/nih-launches-500m-effort-map-cells-human-brain#.YzJtxcjwqvM

2.Allen Institute Launches $173M NIH-Funded Coalition to Create Human, Primate Brain Cell Atlases

https://www.genomeweb.com/research-funding/allen-institute-launches-173m-nih-funded-coalition-create-human-primate-brain-cell#.YzJpRcjwqvM