四年前，日本国立卫生研究院通过推动创新神经技术(BRAIN)呼吁细胞普查网路(BICCN)启动了脑部研究，借以辨识和编目人类、猴子和大鼠脑部中的不同细胞类型。这项雄心勃勃的努力的第一部份现已完成，在分子水平上全面勾画喂奶植物中级运动皮层细胞类型的特点。
这项合作努力整合了各类不同的大规模数据集，以更好地定义脑细胞类型，剖析单细胞转录组、染色质可及性、DNA烷基化组、形态特点和电生理特点，并结合精确的解剖位置。
尽管多模态参考图谱应当通过提供关于运动皮层“部件列表”的详尽数据来推动脑部功能的研究，但BICCN的这一努力也加速了一种新工具包的开发，以提供对各类神经元亚型的遗传访问，供研究人员检测公开可用的数据集以进一步发觉。
该BICCN项目的旗舰论文发表在上，借以通过描述各类分子、布线和功能组件怎么结合在一起，构建运动皮层细胞类型组织的统一框架。据悉，该旗舰研究还用于验证BICCN定义细胞类型的系统策略，为应用类似的协作和综合方式来生成全脑细胞普查和大鼠脑部图谱开辟了未来的方向。
对于最新的一期，共有17篇BICCN项目文章发表，包括任兵（中国科学技术学院878校友），庄小威（中国科学技术学院87级少年班），曾红奎,R.Ecker等诸多著名学者联合参与。系统盘点了这17篇文章：
1.喂奶植物中级运动皮层的多模式细胞普查和图谱
该研究报告了喂奶植物中级运动皮层的多模式细胞普查和图谱的生成，作为BRAIN细胞普查网路(BICCN)的最基本的成果。这是通过对单细胞转录组、染色质可及性、DNA烷基化组、空间区分单细胞转录组、形态学和电生理学特点以及细胞码率输入-输出映射，进行协调的大规模剖析来实现的，这种剖析通过跨模式估算剖析进行整合。
该研究结果推动了对脑细胞类型组织的集体知识和理解。首先，该研究阐明了皮质细胞类型的统一分子遗传水景，整合了它们的转录组、开放染色质和DNA烷基化图谱。其次，跨物种剖析实现了转录组类型及其从大鼠到金刚鹦鹉和人类保守的层次结构的共识分类。第三，原位单细胞转录组学提供了运动皮层的空间区分细胞类型图谱。第四，跨模态剖析为神经元表型的转录组学、表观基因组和基因调控基础（比如其生理和解剖学特点）提供了令人信服的证据，证明了神经元类型的生物学有效性和基因组基础。该研究进一步提出了一个广泛的遗传工具集，用于靶点氨酸能神经元类型，将它们的分子和发育特点与其回路功能联系上去。
其实，该研究结果构建了神经元细胞类型组织的统一和机械框架，该框架将多层分子遗传和空间信息与多方面的表型特点相结合。
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2.大鼠中级运动皮层的转录组学和表观基因组细胞图谱
单细胞转录组学可以为脑部中不同细胞类型的小型、无偏见的样本提供定量的分子特点。随着多组学数据集的高涨，一个主要的挑战是验证结果并将其整合到对细胞类型组织的生物学理解中。
该研究从大鼠中级运动皮层的500,000多个单个细胞中生成转录组和表观基因组，这些结构在运动中具有进化上的保守作用。该研究开发了估算和统计方式来整合多模式数据并定量验证细胞类型的可重复性。由此形成的参考图谱——包含超过56种神经元细胞类型，在剖析方式、测序技术和模式之间具有高度可复制性——是对大鼠中级运动皮层中不同神经元和非神经元细胞类型的综合分子和基因组解释。
该图谱包括一群兴奋性神经元，类似于其他皮质区域的第4层中的锥体细胞。该研究进一步发觉了这种细胞类型的数千种一致的标记基因和基因调控器件。该研究结果突出了脑部中细胞类型的复杂分子调控，并才能针对大鼠中级运动皮层中的特定细胞类型进行功能剖析。
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3.人类、狨猴和大鼠运动皮层的比较细胞剖析
中级运动皮层(M1)对于自主精细运动控制至关重要，但是在喂奶植物中功能保守。
在这儿，该研究使用人类、狨猴和大鼠中超过450,000个单核的骁龙量转录组学和表观基因组剖析，证明了该区域广泛保守的细胞构成，其相像性反映了进化距离，但是在转录组和表观基因组之间保持一致。神经元和非神经元细胞类型的核心保守分子身分使该研究才能生成细胞类型的跨物种共识分类，并推测跨物种细胞类型的保守特点。
但是，虽然总体上是保守的，但许多物种依赖的特化还是很显著的，包括细胞类型比列、基因抒发、DNA烷基化和染色质状态的差别。极少有细胞类型标记基因在物种间是保守的，这阐明了负责同源细胞类型的保守特点的候选基因和调节机制的简略列表。这些一致的转录组学分类使该研究才能使用patch-seq（全细胞膜片钳记录、RNA测序和形态学表征的组合）从非人类灵长类植物和人类的第5层辨识皮质脑干Betz细胞，并表征它们的高度专门的生理学和解剖学。这种发觉突出了喂奶植物M1细胞类型多样性的强悍分子基础，并强调了负责细胞类型功能特点及其物种特异性适应的基因和调节途径。
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4.单细胞码率下家兔脑部的DNA烷基化图谱
喂奶植物脑细胞在基因抒发、解剖结构和功能方面表现出明显的多样性，但人们对这些广泛异质性背后的调控DNA格局知之很少。
在这儿，该研究通过应用单核DNA烷基化测序技术对来自大鼠皮层、海马、纹状体、苍白球和味觉区进行测序。该研究确定了161个具有不同空间位置和投影目标的细胞簇。该研究建立了这种表观遗传类型的分类法，并用特点基因、调控器件和转录因子进行了注释。这种特点表明支持推定细胞类型分配的潜在监管格局，并阐明了激动性和抑制性细胞中调节剂的重复使用以确定亚型。
皮层和海马中激动性神经元的DNA烷基化水景沿空间梯度不断变化。使用这个深度数据集，该研究建立了一个人工神经网路模型，可以精确预测单个神经元细胞类型身分和脑区空间位置。高帧率DNA烷基化组与单核染色质可及性数据的整合才能预测所有已辨识细胞类型的高可效度提高子-基因互相作用，此后通过细胞类型特异性染色质氢键捕获实验进行验证。通过结合来自单个细胞核的多组学数据集（DNA烷基化、染色质接触和开放染色质）并注释大鼠脑部中数百种细胞类型的调节基因组，该研究的DNA烷基化图谱为大鼠脑部整个神经元多样性和空间组织完善了表观遗传基础。加洲学院圣何塞学校任兵（中国农大878校友）参与了本论文的研究，是作者之一。
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5.成年大鼠脑部基因调控器件图谱
喂奶植物脑部通过高度专业化的皮层和皮层下结构执行中级觉得知觉、运动控制和认知功能。近来使用单细胞转录组学和骁龙量成像技术对大鼠和人类脑部进行的调查发觉了数百种分布在不同脑部区域的神经细胞类型，但负责每种细胞类型的奇特身分和功能依然未知。
在这儿，该研究侦测了跨越成年大鼠同皮质、嗅球、海马和脑部核的45个区域的800,000多个个体细胞核中的可接近染色质，并使用所得数据勾画了160个不同的491,818个候选顺式调节DNA元素的状态细胞类型。
该研究发觉除了激动性神经元具有高度的空间分布特异性，但是大多数类型的抑制性神经元和一部份神经胶质细胞类型也具有高度特异性。该研究表征了与这种细胞类型内的区域特异性相关的基因调控序列。该研究进一步将相当一部份顺式调节器件与在不同脑细胞类型中抒发的推定靶基因联系上去，并预测参与不同神经元和神经胶质细胞群中广泛分子和细胞通路的转录调节因子。该研究结果为全面剖析喂奶植物脑部的基因调控程序奠定了基础，并有助于解释与人类各类神经疾患和特点相关的非编码风险变异。加洲学院圣何塞学校任兵（中国农大878校友）领导本论文的研究，是通信作者。
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6.通过空间区分大鼠中级运动皮层的细胞图谱
这是耶鲁学院庄小威院长（英国科大学教授、中国科学技术学院少年班校友）喂奶植物的脑部由以复杂形式组织的多种细胞类型组成，以产生功能性神经回路。单细胞RNA测序容许依据基因抒发谱系统辨识细胞类型，并阐明了脑部中许多不同的细胞群。单细胞表观基因组剖析进一步提供了有关不同细胞类型的基因调控特点的信息。但是，了解不同细胞类型怎样影响脑部功能须要了解它们的空间组织和连通性，而这在涉及细胞解离的基于测序的方式中是难以保留的。
在这儿，该研究使用单细胞转录组成像方式，多重错误鲁棒萤光原位杂交()，生成大鼠中级运动皮层的分子定义和空间解析细胞图谱。该研究剖析了大鼠中级运动皮层及其毗邻区域中大概300,000个细胞，确定了95个神经元和非神经元细胞簇，并阐明了一个复杂的空间图，其中除了激动性神经元簇并且大多数抑制性神经元簇都采用层状组织。
脑内神经元顺着皮质深度轴产生了一个很大程度上连续的梯度，其对线个细胞的基因抒发与其皮质深度相关。据悉，该研究将与逆行标记结合以侦测大鼠中级运动皮层神经元的投射目标，发觉它们的皮层投射产生了一个复杂的网路，其对线个神经元簇投射到多个目标区域，而单个目标区域接收来自多个神经元簇的输入。
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7.大鼠运动皮层转录组细胞类型的表型变异
皮层神经元在基因抒发以及形态学和电生理学特点方面表现出极大的多样性。大多数现有的神经分类法都是基于转录组学或形态热学标准，由于在同一组细胞中研究神经元多样性的两个方面在技术上具有挑战性。
在这儿，该研究使用Patch-seq对成年大鼠中级运动皮层中超过1,300个神经元的膜片钳记录、生物胞素染色和单细胞RNA测序相结合，提供几乎所有转录组学定义的神经细胞类型的形态电注释。
该研究发觉，尽管广泛的转录组类型家族（抒发Vip、Pvalb、Sst等的家族）具有不同且基本上不重叠的形态水表型，但同一家族内的单个转录组类型在形态电空间。相反，形态学和电生理学存在连续的变异性，相邻的转录组细胞类型显示出相像的形态电特点，它们之间一般没有明晰的界限。该研究结果表明新皮质中的神经元类型并不总是产生离散的实体。相反，神经元产生一个层次结构，该层次结构由不同非重叠分支组成，但可以产生连续和相关的转录组和形态电图。
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8.人类新皮质扩张涉及氨酸能神经元多元化
与大鼠相比，人类的新皮层不成比列地扩大，无论是在其相对于皮层下结构的总体积，还是由神经元组成的颗粒下层所占的比列，这种神经元选择性地在新皮层内和其他端脑结构内构建联接。人类和大鼠新皮层的单细胞转录组学剖析表明，人类新皮层颗粒下层中甘氨酸能神经元类型的多样性降低，而且有显著的梯度。
在这儿，为了探求这些转录组多样性的功能和解剖学相关性，该研究开发了一个结合膜片钳记录、生物胞素染色和单细胞RNA测序(Patch-seq)的强悍平台，以检测神经内科摘除的人体组织。
该研究证明了五种人类氨酸能超颗粒神经元类型的形态学、生理学和转录组学表型之间的强烈对应关系。那些含有但不限于层，其中一种类型在第2层和第3层的所有表型中不断变化。其实，这种结果证明了转录组细胞类型分类的解释力，为人类皮层功能降低的复杂性提供了结构基础，并暗示离散的转录组神经元类型在癌症中具有选择性的脆弱性。
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9.大鼠中级运动皮层的细胞解剖
理解脑部功能的一个重要步骤是构建一个具有细胞码率的结构框架，在该框架上可以整合和解释跨越分子、细胞、回路和系统的多尺度数据集。
在这儿，作为协作脑部呼吁细胞普查网路(BICCN)的一部份，该研究得出了一个基于细胞类型的全面解剖描述，对一个示例脑部结构、小鼠中级运动皮层、上肢区域(MOp-ul)进行了描述。
使用遗传和病毒标记、通过测序解析的条码解剖结构、单神经元重建、全脑成像和基于云的神经信息学工具，该研究在3D中勾画了MOp-ul并改进了其亚层组织。该研究在MOp-ul中定义了大概22种投射神经元类型，并导入了输入-输出接线图，这将有助于未来跨分子、细胞和系统级别的运动控制回路剖析。这项工作为喂奶植物脑部结构的全面细胞帧率描述提供了路线图。
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10.大鼠脑部皮层投射神经元的表观基因组多样性
神经元细胞类型一般由其分子特点、解剖结构和功能定义。虽然单细胞基因组学的最新进展已造成对脑部中细胞类型多样性的高帧率分子表征，但神经元细胞类型的研究常常脱离其解剖学特点。
为了提升对定义皮质神经元的分子和解剖特点之间关系的理解，该研究在这儿将逆行标记与单核DNA烷基化测序相结合，将神经表观基因组特点与预测联系上去。该研究检测了来自63个皮质-皮质和皮质-皮质下长距离投影的11,827个单个新皮质神经元。该研究结果显示了投射神经元的奇特表观遗传特点，对应于它们的层流和区域位置以及投射模式。
按照它们的表观基因组，可以进一步分辨投射到不同皮质靶标的端脑内细胞，一些投射到端脑外靶标的第5层神经元(L5ET)产生单独的簇，与它们的轴突投射对齐。这些分离在皮质区域之间有所不同，这表明L5ET亚型存在区域特异性差别，解剖学研究进一步否认了这一点。
值得注意的是，一群皮质投射神经元与L5ET集聚在一起，而不是端脑内神经元，这表明L5ET皮质神经元群体投射到两个靶标。该研究通过对皮质-皮质投射神经元的双重逆行标记和顺行追踪来验证这种神经元的存在，这阐明了包括脑干、上丘和脑桥在内的端脑外靶标中的轴突末端。这种发觉突出了单细胞表观基因组方式将神经元的分子特点与其解剖和投射特点联系上去的力量。
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11.分子定义细胞类型中单个神经元的形态多样性
树突和轴突形态反映了神经元的输入和输出，是神经元类型的一个定义特点，但我们对其多样性的了解依然有限。
在这儿，为了在脑部范围内系统地检测完整的单神经元形态，该研究构建了一个包含稀疏标记、全脑成像、重建、配准和剖析的技巧。该研究从大鼠的皮层、锁骨、丘脑、纹状体和其他脑部区域完全重建了1,741个神经元。该研究确定了11种具有不同形态特点和相应转录组学特点的主要投射神经元类型。
在那些主要类型中的每一个中都发觉了广泛的预测多样性，在此基础上，一些类型被降维为更精细的亚型。这些多样性遵守一套可概括的原则，这种原则控制不同级别的远程轴突投射，包括分子对应、发散或会聚投射、轴突中止模式、区域特异性和个体细胞变异性。总体而言，该研究表明，在细胞类型分类中对完整的单细胞解剖结构进行定量描述至关重要，由于单细胞形态多样性阐明了不同细胞类型及其个体成员可能对结构和功能作出重要贡献。
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12.脑部皮层氨酸能神经元系统的遗传分析
不同类型的甘氨酸能锥体神经元介导了脑部皮层的无数处理流和输出通道细胞膜片，但都来自胚胎背侧端脑的神经祖细胞。
在这儿，该研究完善了遗传策略和工具，用于按照锥体神经元的发育和分子程序进行分析和命运映射。该研究借助关键转录因子和效应基因来系统地针对祖细胞中的时间模式程序和有丝分裂后神经元中的分化程序。
该研究生成了十多种时间诱导型大鼠Cre和Flp敲入驱动线，以实现主要祖细胞类型和投射类的组合靶点。组合策略赋于病毒访问由发育起源、标记抒发、解剖位置和投射目标定义的锥体神经元子集。这种策略构建了一个实验框架，用于理解组装皮层处理网路和输出通道的锥体神经元亚群的层次结构和发育轨迹。
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13.大鼠皮质-基底神经节-额叶网路
皮质-基底神经节-额叶-皮质环是脑部中的基本网路基序之一。阐明其结构和功能组织对于理解认知、感觉运动行为以及许多神经和神经精神疾患的自然史至关重要。精典地，这个网路被概念化为包含三个信息通道：运动、边缘和联想。但是，这些三通道视图难以解释基底神经节的无数功能。
该研究依据整个皮层输入的形状将背侧纹状体细分为29个功能域。在这儿，该研究通过惨白球外部(GPe)、黑质网状部份(SNr)、丘脑核和皮质勾画了这种纹状体结构域的多突触输出通路。因而，该研究确定了14个SNr和36个GPe域以及一个直接的-SNr投射。
虽然源自相同纹状体域的直接和间接通路最终会聚到相同的突触后杂讯神经元上，但纹状体黑质直接通路比更平行的纹状体间接通路显示出更大的纹状体输入收敛。按照杂讯输出，该研究在束旁和腹外侧颞叶核中描画了六个域。随即细胞膜片，该研究确定了六个平行的皮质-基底节-丘头脑网路，它们通过皮质-基底节-额叶环的每位基本节点次序转换特定的皮质信息子集。脑干域将此输出中继回真正闭环中每位子网路的原始皮质纹状体神经元。
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14.大鼠中级运动皮层中的同种型细胞类型特异性
全长SMART-seq单细胞RNA测序可用于以异构体码率检测基因抒发，因而可以辨识不同细胞类型的特定异构体标记。与空间RNA捕获和基因标记方式结合使用，可以推测不同细胞类型的空间区分同种型抒发。
在这儿，在对使用SMART-seq检查的6,160个大鼠中级运动皮层细胞、使用测量的280,327个细胞和使用10x测序测量的94,162个细胞进行综合剖析时，该研究发觉了细胞类型中同种型特异性的事例——包括细胞类型之间的同种型转变在基因水平剖析以及转录调控的事例中被掩藏了。据悉，该研究表明亚型特异性有助于细化细胞类型，而且借助多项检测对单细胞转录组数据进行的多平台剖析提供了大鼠中级运动皮层中的综合转录图谱，因而提升了任何单个细胞技术提供的可能性。
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15.皮质区域化图谱辨识动态分子特点
人脑被细分为不同的解剖结构，包括新皮层，而新皮层又包含数十个不同的专门皮层区域。已知初期形态发生梯度可构建初期脑部区域和皮质区域，但初期模式怎么造成更精细和更离散的空间差别依然知之极少。
在这儿，该研究使用单细胞RNA测序来剖析峰值神经发生和初期胶质生成期间的十个主要脑部结构和六个新皮质区域。在新皮质内，该研究发觉在妊娠中初期，大量基因在所有细胞类型的不同皮质区域中差别抒发，包括径向胶质细胞，皮质的神经祖细胞。但是，随着径向胶质细胞分化为中间祖细胞并最终形成激动性神经元，区域转录组学特点的产率降低。
使用手动化的、多路复用的单分子萤光原位杂交方式，该研究发觉层流基因抒发模式在整个皮质区域是高度动态的。其实，该研究数据表明，初期皮质区域模式是由强悍的、相互抵触的小脑和枕叶基因抒发特点定义的，由此形成的梯度在连续的发育时间点中造成了这两个极点之间区域的规范。
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16.单细胞表观基因组学阐明人类皮层发育机制
在喂奶植物发育过程中，染色质状态的差别与细胞分化一致，反映了基因调控格局的变化。在发育中的脑部中，细胞命运规范和形态特点对于定义细胞特点和赋于神经发育障碍的选择性脆弱性很重要。
在这儿，为了辨识发育中的人类脑部中细胞类型特异性染色质可及性模式，该研究使用单细胞转座酶可及性（-seq）方式在人类前脑的原始组织样本中进行测序。该研究应用无偏剖析来辨识在神经发生过程中经历广泛的细胞类型和脑部区域特异性变化的基因组位点，并应用综合剖析来预测细胞类型特异性候选调控器件。
该研究发觉脑部类脏器概括了大多数假设的细胞类型特异性提高子可及性模式，但缺少许多在体内发觉的细胞类型特异性开放染色质区域。跨脑部区域染色质可及性的系统比较阐明了脑部皮层中神经祖细胞之间超乎预料的多样性，以及头顶叶皮层神经元谱系特点的规范中涉及视黄酸讯号。其实，该研究结果阐明了染色质状态对细胞类型多样性和细胞命运规范的新兴模式的重要贡献，并为评估脑部类脏器作为皮质发育模型的保真度和稳健性提供了新蓝图。
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17.大鼠额叶皮层转录组图谱全面定义细胞类型
额叶皮层是一种经过充分研究的脑部结构，在运动学习、协调、认知和自主神经调节中具有多种作用。但是，目前缺少脑干细胞类型的完整清单。
在这儿，借助联发科量转录剖析的最新进展，该研究在分子上定义了成年大鼠脑干各个小叶的细胞类型。浦肯野神经元表现出相当大的区域专业化，后小叶的多样性最大。对于几种类型的额叶中间神经元，每种类型内的分子变异愈发连续，而不是离散。非常是，对于单极刷状细胞——一个中间神经元群体曾经细分为离散群体——基因抒发的连续变化与电生理特点的分级连续体相关。
值得注意的是，该研究发觉分子层中间神经元由两种分子和功能不同的类型组成。这两种类型在分子层的长度上都表现出连续的形态变化，但电生理记录显示这两种类型在自发性、兴奋性和电耦合方面存在明显差别。其实，这种发觉提供了一个全面的额叶皮层细胞图谱，并概述了用于整合分子、形态和生理本体以定义脑细胞类型的方式和概念框架。
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