四年前，日本國立衛生研究院通過推動創新神經技術(BRAIN)呼吁細胞普查網路(BICCN)啟動了腦部研究，借以辨識和編目人類、猴子和大鼠腦部中的不同細胞類型。這項雄心勃勃的努力的第一部份現已完成，在分子水平上全面勾畫喂奶植物中級運動皮層細胞類型的特點。
這項合作努力整合了各類不同的大規模數據集，以更好地定義腦細胞類型，剖析單細胞轉錄組、染色質可及性、DNA烷基化組、形態特點和電生理特點，并結合精確的解剖位置。
盡管多模態參考圖譜應當通過提供關于運動皮層“部件列表”的詳盡數據來推動腦部功能的研究，但BICCN的這一努力也加速了一種新工具包的開發，以提供對各類神經元亞型的遺傳訪問，供研究人員檢測公開可用的數據集以進一步發覺。
該BICCN項目的旗艦論文發表在上，借以通過描述各類分子、布線和功能組件怎么結合在一起，構建運動皮層細胞類型組織的統一框架。據悉，該旗艦研究還用于驗證BICCN定義細胞類型的系統策略，為應用類似的協作和綜合方式來生成全腦細胞普查和大鼠腦部圖譜開辟了未來的方向。
對于最新的一期，共有17篇BICCN項目文章發表，包括任兵（中國科學技術學院878校友），莊小威（中國科學技術學院87級少年班），曾紅奎,R.Ecker等諸多著名學者聯合參與。系統盤點了這17篇文章：
1.喂奶植物中級運動皮層的多模式細胞普查和圖譜
該研究報告了喂奶植物中級運動皮層的多模式細胞普查和圖譜的生成，作為BRAIN細胞普查網路(BICCN)的最基本的成果。這是通過對單細胞轉錄組、染色質可及性、DNA烷基化組、空間區分單細胞轉錄組、形態學和電生理學特點以及細胞碼率輸入-輸出映射，進行協調的大規模剖析來實現的，這種剖析通過跨模式估算剖析進行整合。
該研究結果推動了對腦細胞類型組織的集體知識和理解。首先，該研究闡明了皮質細胞類型的統一分子遺傳水景，整合了它們的轉錄組、開放染色質和DNA烷基化圖譜。其次，跨物種剖析實現了轉錄組類型及其從大鼠到金剛鸚鵡和人類保守的層次結構的共識分類。第三，原位單細胞轉錄組學提供了運動皮層的空間區分細胞類型圖譜。第四，跨模態剖析為神經元表型的轉錄組學、表觀基因組和基因調控基礎（比如其生理和解剖學特點）提供了令人信服的證據，證明了神經元類型的生物學有效性和基因組基礎。該研究進一步提出了一個廣泛的遺傳工具集，用于靶點氨酸能神經元類型，將它們的分子和發育特點與其回路功能聯系上去。
其實，該研究結果構建了神經元細胞類型組織的統一和機械框架，該框架將多層分子遺傳和空間信息與多方面的表型特點相結合。
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2.大鼠中級運動皮層的轉錄組學和表觀基因組細胞圖譜
單細胞轉錄組學可以為腦部中不同細胞類型的小型、無偏見的樣本提供定量的分子特點。隨著多組學數據集的高漲，一個主要的挑戰是驗證結果并將其整合到對細胞類型組織的生物學理解中。
該研究從大鼠中級運動皮層的500,000多個單個細胞中生成轉錄組和表觀基因組，這些結構在運動中具有進化上的保守作用。該研究開發了估算和統計方式來整合多模式數據并定量驗證細胞類型的可重復性。由此形成的參考圖譜——包含超過56種神經元細胞類型，在剖析方式、測序技術和模式之間具有高度可復制性——是對大鼠中級運動皮層中不同神經元和非神經元細胞類型的綜合分子和基因組解釋。
該圖譜包括一群興奮性神經元，類似于其他皮質區域的第4層中的錐體細胞。該研究進一步發覺了這種細胞類型的數千種一致的標記基因和基因調控器件。該研究結果突出了腦部中細胞類型的復雜分子調控，并才能針對大鼠中級運動皮層中的特定細胞類型進行功能剖析。
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3.人類、狨猴和大鼠運動皮層的比較細胞剖析
中級運動皮層(M1)對于自主精細運動控制至關重要，但是在喂奶植物中功能保守。
在這兒，該研究使用人類、狨猴和大鼠中超過450,000個單核的驍龍量轉錄組學和表觀基因組剖析，證明了該區域廣泛保守的細胞構成，其相像性反映了進化距離，但是在轉錄組和表觀基因組之間保持一致。神經元和非神經元細胞類型的核心保守分子身分使該研究才能生成細胞類型的跨物種共識分類，并推測跨物種細胞類型的保守特點。
但是，雖然總體上是保守的，但許多物種依賴的特化還是很顯著的，包括細胞類型比列、基因抒發、DNA烷基化和染色質狀態的差別。極少有細胞類型標記基因在物種間是保守的，這闡明了負責同源細胞類型的保守特點的候選基因和調節機制的簡略列表。這些一致的轉錄組學分類使該研究才能使用patch-seq（全細胞膜片鉗記錄、RNA測序和形態學表征的組合）從非人類靈長類植物和人類的第5層辨識皮質腦干Betz細胞，并表征它們的高度專門的生理學和解剖學。這種發覺突出了喂奶植物M1細胞類型多樣性的強悍分子基礎，并強調了負責細胞類型功能特點及其物種特異性適應的基因和調節途徑。
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4.單細胞碼率下家兔腦部的DNA烷基化圖譜
喂奶植物腦細胞在基因抒發、解剖結構和功能方面表現出明顯的多樣性，但人們對這些廣泛異質性背后的調控DNA格局知之很少。
在這兒，該研究通過應用單核DNA烷基化測序技術對來自大鼠皮層、海馬、紋狀體、蒼白球和味覺區進行測序。該研究確定了161個具有不同空間位置和投影目標的細胞簇。該研究建立了這種表觀遺傳類型的分類法，并用特點基因、調控器件和轉錄因子進行了注釋。這種特點表明支持推定細胞類型分配的潛在監管格局，并闡明了激動性和抑制性細胞中調節劑的重復使用以確定亞型。
皮層和海馬中激動性神經元的DNA烷基化水景沿空間梯度不斷變化。使用這個深度數據集，該研究建立了一個人工神經網路模型，可以精確預測單個神經元細胞類型身分和腦區空間位置。高幀率DNA烷基化組與單核染色質可及性數據的整合才能預測所有已辨識細胞類型的高可效度提高子-基因互相作用，此后通過細胞類型特異性染色質氫鍵捕獲實驗進行驗證。通過結合來自單個細胞核的多組學數據集（DNA烷基化、染色質接觸和開放染色質）并注釋大鼠腦部中數百種細胞類型的調節基因組，該研究的DNA烷基化圖譜為大鼠腦部整個神經元多樣性和空間組織完善了表觀遺傳基礎。加洲學院圣何塞學校任兵（中國農大878校友）參與了本論文的研究，是作者之一。
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5.成年大鼠腦部基因調控器件圖譜
喂奶植物腦部通過高度專業化的皮層和皮層下結構執行中級覺得知覺、運動控制和認知功能。近來使用單細胞轉錄組學和驍龍量成像技術對大鼠和人類腦部進行的調查發覺了數百種分布在不同腦部區域的神經細胞類型，但負責每種細胞類型的奇特身分和功能依然未知。
在這兒，該研究偵測了跨越成年大鼠同皮質、嗅球、海馬和腦部核的45個區域的800,000多個個體細胞核中的可接近染色質，并使用所得數據勾畫了160個不同的491,818個候選順式調節DNA元素的狀態細胞類型。
該研究發覺除了激動性神經元具有高度的空間分布特異性，但是大多數類型的抑制性神經元和一部份神經膠質細胞類型也具有高度特異性。該研究表征了與這種細胞類型內的區域特異性相關的基因調控序列。該研究進一步將相當一部份順式調節器件與在不同腦細胞類型中抒發的推定靶基因聯系上去，并預測參與不同神經元和神經膠質細胞群中廣泛分子和細胞通路的轉錄調節因子。該研究結果為全面剖析喂奶植物腦部的基因調控程序奠定了基礎，并有助于解釋與人類各類神經疾患和特點相關的非編碼風險變異。加洲學院圣何塞學校任兵（中國農大878校友）領導本論文的研究，是通信作者。
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6.通過空間區分大鼠中級運動皮層的細胞圖譜
這是耶魯學院莊小威院長（英國科大學教授、中國科學技術學院少年班校友）喂奶植物的腦部由以復雜形式組織的多種細胞類型組成，以產生功能性神經回路。單細胞RNA測序容許依據基因抒發譜系統辨識細胞類型，并闡明了腦部中許多不同的細胞群。單細胞表觀基因組剖析進一步提供了有關不同細胞類型的基因調控特點的信息。但是，了解不同細胞類型怎樣影響腦部功能須要了解它們的空間組織和連通性，而這在涉及細胞解離的基于測序的方式中是難以保留的。
在這兒，該研究使用單細胞轉錄組成像方式，多重錯誤魯棒螢光原位雜交()，生成大鼠中級運動皮層的分子定義和空間解析細胞圖譜。該研究剖析了大鼠中級運動皮層及其毗鄰區域中大概300,000個細胞，確定了95個神經元和非神經元細胞簇，并闡明了一個復雜的空間圖，其中除了激動性神經元簇并且大多數抑制性神經元簇都采用層狀組織。
腦內神經元順著皮質深度軸產生了一個很大程度上連續的梯度，其對線個細胞的基因抒發與其皮質深度相關。據悉，該研究將與逆行標記結合以偵測大鼠中級運動皮層神經元的投射目標，發覺它們的皮層投射產生了一個復雜的網路，其對線個神經元簇投射到多個目標區域，而單個目標區域接收來自多個神經元簇的輸入。
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7.大鼠運動皮層轉錄組細胞類型的表型變異
皮層神經元在基因抒發以及形態學和電生理學特點方面表現出極大的多樣性。大多數現有的神經分類法都是基于轉錄組學或形態熱學標準，由于在同一組細胞中研究神經元多樣性的兩個方面在技術上具有挑戰性。
在這兒，該研究使用Patch-seq對成年大鼠中級運動皮層中超過1,300個神經元的膜片鉗記錄、生物胞素染色和單細胞RNA測序相結合，提供幾乎所有轉錄組學定義的神經細胞類型的形態電注釋。
該研究發覺，盡管廣泛的轉錄組類型家族（抒發Vip、Pvalb、Sst等的家族）具有不同且基本上不重疊的形態水表型，但同一家族內的單個轉錄組類型在形態電空間。相反，形態學和電生理學存在連續的變異性，相鄰的轉錄組細胞類型顯示出相像的形態電特點，它們之間一般沒有明晰的界限。該研究結果表明新皮質中的神經元類型并不總是產生離散的實體。相反，神經元產生一個層次結構，該層次結構由不同非重疊分支組成，但可以產生連續和相關的轉錄組和形態電圖。
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8.人類新皮質擴張涉及氨酸能神經元多元化
與大鼠相比，人類的新皮層不成比列地擴大，無論是在其相對于皮層下結構的總體積，還是由神經元組成的顆粒下層所占的比列，這種神經元選擇性地在新皮層內和其他端腦結構內構建聯接。人類和大鼠新皮層的單細胞轉錄組學剖析表明，人類新皮層顆粒下層中甘氨酸能神經元類型的多樣性降低，而且有顯著的梯度。
在這兒，為了探求這些轉錄組多樣性的功能和解剖學相關性，該研究開發了一個結合膜片鉗記錄、生物胞素染色和單細胞RNA測序(Patch-seq)的強悍平臺，以檢測神經內科摘除的人體組織。
該研究證明了五種人類氨酸能超顆粒神經元類型的形態學、生理學和轉錄組學表型之間的強烈對應關系。那些含有但不限于層，其中一種類型在第2層和第3層的所有表型中不斷變化。其實，這種結果證明了轉錄組細胞類型分類的解釋力，為人類皮層功能降低的復雜性提供了結構基礎，并暗示離散的轉錄組神經元類型在癌癥中具有選擇性的脆弱性。
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9.大鼠中級運動皮層的細胞解剖
理解腦部功能的一個重要步驟是構建一個具有細胞碼率的結構框架，在該框架上可以整合和解釋跨越分子、細胞、回路和系統的多尺度數據集。
在這兒，作為協作腦部呼吁細胞普查網路(BICCN)的一部份，該研究得出了一個基于細胞類型的全面解剖描述，對一個示例腦部結構、小鼠中級運動皮層、上肢區域(MOp-ul)進行了描述。
使用遺傳和病毒標記、通過測序解析的條碼解剖結構、單神經元重建、全腦成像和基于云的神經信息學工具，該研究在3D中勾畫了MOp-ul并改進了其亞層組織。該研究在MOp-ul中定義了大概22種投射神經元類型，并導入了輸入-輸出接線圖，這將有助于未來跨分子、細胞和系統級別的運動控制回路剖析。這項工作為喂奶植物腦部結構的全面細胞幀率描述提供了路線圖。
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10.大鼠腦部皮層投射神經元的表觀基因組多樣性
神經元細胞類型一般由其分子特點、解剖結構和功能定義。雖然單細胞基因組學的最新進展已造成對腦部中細胞類型多樣性的高幀率分子表征，但神經元細胞類型的研究常常脫離其解剖學特點。
為了提升對定義皮質神經元的分子和解剖特點之間關系的理解，該研究在這兒將逆行標記與單核DNA烷基化測序相結合，將神經表觀基因組特點與預測聯系上去。該研究檢測了來自63個皮質-皮質和皮質-皮質下長距離投影的11,827個單個新皮質神經元。該研究結果顯示了投射神經元的奇特表觀遺傳特點，對應于它們的層流和區域位置以及投射模式。
按照它們的表觀基因組，可以進一步分辨投射到不同皮質靶標的端腦內細胞，一些投射到端腦外靶標的第5層神經元(L5ET)產生單獨的簇，與它們的軸突投射對齊。這些分離在皮質區域之間有所不同，這表明L5ET亞型存在區域特異性差別，解剖學研究進一步否認了這一點。
值得注意的是，一群皮質投射神經元與L5ET集聚在一起，而不是端腦內神經元，這表明L5ET皮質神經元群體投射到兩個靶標。該研究通過對皮質-皮質投射神經元的雙重逆行標記和順行追蹤來驗證這種神經元的存在，這闡明了包括腦干、上丘和腦橋在內的端腦外靶標中的軸突末端。這種發覺突出了單細胞表觀基因組方式將神經元的分子特點與其解剖和投射特點聯系上去的力量。
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11.分子定義細胞類型中單個神經元的形態多樣性
樹突和軸突形態反映了神經元的輸入和輸出，是神經元類型的一個定義特點，但我們對其多樣性的了解依然有限。
在這兒，為了在腦部范圍內系統地檢測完整的單神經元形態，該研究構建了一個包含稀疏標記、全腦成像、重建、配準和剖析的技巧。該研究從大鼠的皮層、鎖骨、丘腦、紋狀體和其他腦部區域完全重建了1,741個神經元。該研究確定了11種具有不同形態特點和相應轉錄組學特點的主要投射神經元類型。
在那些主要類型中的每一個中都發覺了廣泛的預測多樣性，在此基礎上，一些類型被降維為更精細的亞型。這些多樣性遵守一套可概括的原則，這種原則控制不同級別的遠程軸突投射，包括分子對應、發散或會聚投射、軸突中止模式、區域特異性和個體細胞變異性。總體而言，該研究表明，在細胞類型分類中對完整的單細胞解剖結構進行定量描述至關重要，由于單細胞形態多樣性闡明了不同細胞類型及其個體成員可能對結構和功能作出重要貢獻。
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12.腦部皮層氨酸能神經元系統的遺傳分析
不同類型的甘氨酸能錐體神經元介導了腦部皮層的無數處理流和輸出通道細胞膜片，但都來自胚胎背側端腦的神經祖細胞。
在這兒，該研究完善了遺傳策略和工具，用于按照錐體神經元的發育和分子程序進行分析和命運映射。該研究借助關鍵轉錄因子和效應基因來系統地針對祖細胞中的時間模式程序和有絲分裂后神經元中的分化程序。
該研究生成了十多種時間誘導型大鼠Cre和Flp敲入驅動線，以實現主要祖細胞類型和投射類的組合靶點。組合策略賦于病毒訪問由發育起源、標記抒發、解剖位置和投射目標定義的錐體神經元子集。這種策略構建了一個實驗框架，用于理解組裝皮層處理網路和輸出通道的錐體神經元亞群的層次結構和發育軌跡。
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13.大鼠皮質-基底神經節-額葉網路
皮質-基底神經節-額葉-皮質環是腦部中的基本網路基序之一。闡明其結構和功能組織對于理解認知、感覺運動行為以及許多神經和神經精神疾患的自然史至關重要。精典地，這個網路被概念化為包含三個信息通道：運動、邊緣和聯想。但是，這些三通道視圖難以解釋基底神經節的無數功能。
該研究依據整個皮層輸入的形狀將背側紋狀體細分為29個功能域。在這兒，該研究通過慘白球外部(GPe)、黑質網狀部份(SNr)、丘腦核和皮質勾畫了這種紋狀體結構域的多突觸輸出通路。因而，該研究確定了14個SNr和36個GPe域以及一個直接的-SNr投射。
雖然源自相同紋狀體域的直接和間接通路最終會聚到相同的突觸后雜訊神經元上，但紋狀體黑質直接通路比更平行的紋狀體間接通路顯示出更大的紋狀體輸入收斂。按照雜訊輸出，該研究在束旁和腹外側顳葉核中描畫了六個域。隨即細胞膜片，該研究確定了六個平行的皮質-基底節-丘頭腦網路，它們通過皮質-基底節-額葉環的每位基本節點次序轉換特定的皮質信息子集。腦干域將此輸出中繼回真正閉環中每位子網路的原始皮質紋狀體神經元。
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14.大鼠中級運動皮層中的同種型細胞類型特異性
全長SMART-seq單細胞RNA測序可用于以異構體碼率檢測基因抒發，因而可以辨識不同細胞類型的特定異構體標記。與空間RNA捕獲和基因標記方式結合使用，可以推測不同細胞類型的空間區分同種型抒發。
在這兒，在對使用SMART-seq檢查的6,160個大鼠中級運動皮層細胞、使用測量的280,327個細胞和使用10x測序測量的94,162個細胞進行綜合剖析時，該研究發覺了細胞類型中同種型特異性的事例——包括細胞類型之間的同種型轉變在基因水平剖析以及轉錄調控的事例中被掩藏了。據悉，該研究表明亞型特異性有助于細化細胞類型，而且借助多項檢測對單細胞轉錄組數據進行的多平臺剖析提供了大鼠中級運動皮層中的綜合轉錄圖譜，因而提升了任何單個細胞技術提供的可能性。
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15.皮質區域化圖譜辨識動態分子特點
人腦被細分為不同的解剖結構，包括新皮層，而新皮層又包含數十個不同的專門皮層區域。已知初期形態發生梯度可構建初期腦部區域和皮質區域，但初期模式怎么造成更精細和更離散的空間差別依然知之極少。
在這兒，該研究使用單細胞RNA測序來剖析峰值神經發生和初期膠質生成期間的十個主要腦部結構和六個新皮質區域。在新皮質內，該研究發覺在妊娠中初期，大量基因在所有細胞類型的不同皮質區域中差別抒發，包括徑向膠質細胞，皮質的神經祖細胞。但是，隨著徑向膠質細胞分化為中間祖細胞并最終形成激動性神經元，區域轉錄組學特點的產率降低。
使用手動化的、多路復用的單分子螢光原位雜交方式，該研究發覺層流基因抒發模式在整個皮質區域是高度動態的。其實，該研究數據表明，初期皮質區域模式是由強悍的、相互抵觸的小腦和枕葉基因抒發特點定義的，由此形成的梯度在連續的發育時間點中造成了這兩個極點之間區域的規范。
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16.單細胞表觀基因組學闡明人類皮層發育機制
在喂奶植物發育過程中，染色質狀態的差別與細胞分化一致，反映了基因調控格局的變化。在發育中的腦部中，細胞命運規范和形態特點對于定義細胞特點和賦于神經發育障礙的選擇性脆弱性很重要。
在這兒，為了辨識發育中的人類腦部中細胞類型特異性染色質可及性模式，該研究使用單細胞轉座酶可及性（-seq）方式在人類前腦的原始組織樣本中進行測序。該研究應用無偏剖析來辨識在神經發生過程中經歷廣泛的細胞類型和腦部區域特異性變化的基因組位點，并應用綜合剖析來預測細胞類型特異性候選調控器件。
該研究發覺腦部類臟器概括了大多數假設的細胞類型特異性提高子可及性模式，但缺少許多在體內發覺的細胞類型特異性開放染色質區域。跨腦部區域染色質可及性的系統比較闡明了腦部皮層中神經祖細胞之間超乎預料的多樣性，以及頭頂葉皮層神經元譜系特點的規范中涉及視黃酸訊號。其實，該研究結果闡明了染色質狀態對細胞類型多樣性和細胞命運規范的新興模式的重要貢獻，并為評估腦部類臟器作為皮質發育模型的保真度和穩健性提供了新藍圖。
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17.大鼠額葉皮層轉錄組圖譜全面定義細胞類型
額葉皮層是一種經過充分研究的腦部結構，在運動學習、協調、認知和自主神經調節中具有多種作用。但是，目前缺少腦干細胞類型的完整清單。
在這兒，借助聯發科量轉錄剖析的最新進展，該研究在分子上定義了成年大鼠腦干各個小葉的細胞類型。浦肯野神經元表現出相當大的區域專業化，后小葉的多樣性最大。對于幾種類型的額葉中間神經元，每種類型內的分子變異愈發連續，而不是離散。非常是，對于單極刷狀細胞——一個中間神經元群體曾經細分為離散群體——基因抒發的連續變化與電生理特點的分級連續體相關。
值得注意的是，該研究發覺分子層中間神經元由兩種分子和功能不同的類型組成。這兩種類型在分子層的長度上都表現出連續的形態變化，但電生理記錄顯示這兩種類型在自發性、興奮性和電耦合方面存在明顯差別。其實，這種發覺提供了一個全面的額葉皮層細胞圖譜，并概述了用于整合分子、形態和生理本體以定義腦細胞類型的方式和概念框架。
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