科学家揭示出大脑隐藏地图，包含了539个不同区域

科学家们数十年来一直在研究大脑的细胞、连接、基因和蛋白质。然而，大脑生物学中另一个至关重要却远未受到足够关注的部分是：脂质。这些脂肪分子构成包裹神经元的膜，参与保护神经纤维的髓鞘绝缘层，并在脑细胞之间的通讯中发挥重要作用。

尽管脂质对大脑功能至关重要，但科学家一直难以绘制不同类型脂质的分布图。传统成像技术难以区分单个脂质分子，这在我们理解大脑化学组织方面留下了重大空白。

“因此，科学家对大脑不同部位脂质有何差异一直只有模糊的认识，”洛桑联邦理工学院（EPFL）克里斯蒂安·格哈德·杰布森基金会营养与代谢讲席教授乔瓦尼·丹杰洛说。“这一空白很重要，因为大脑脂质的变化正日益与从抑郁症到阿尔茨海默病等一系列疾病联系起来。”

EPFL的研究人员如今在填补这一空白方面迈出了重要一步。由丹杰洛、卢卡·富萨尔·巴西尼和乔埃莱·拉曼诺领导的团队绘制了一幅详细地图，展示脂质如何分布在小鼠整个大脑中。

他们的“脂质大脑图谱”揭示，这些分子以高度有序的模式排列。一些模式与熟悉的解剖结构相符，另一些则暴露出此前方法所忽视的化学边界。这些模式如此独特，以至于研究人员只需检查脑组织的脂质组成，就能识别出该样本来自大脑的哪个部位。

这些发现发表在《自然》杂志上。

科学家识别出大脑中539个不同的化学区域

为了构建该图谱，研究人员使用了质谱成像技术，这种技术使他们能够在脑组织薄切片中识别脂质分子。激光逐一扫描每个切片的每个位置，生成关于存在哪些脂质以及它们位于何处的详细信息。

该团队检查了来自11只小鼠的109个脑切片中的172种不同脂质。这产生了约700万次测量数据，科学家利用专门为该项目的机器学习工具，将其整合成一个全面的三维重建。

由此产生的图谱揭示了539个化学上不同的区域，研究人员将其命名为“脂质区”（lipizones）。每个区域都有特征性的脂质组合，形成可识别的化学特征。

其中许多区域与已知的大脑结构和细胞类型相对应。另一些则揭示了神经细胞体群与通过其纤维相连的远处区域之间意想不到的关系。这类联系往往难以通过基于基因活动的图谱检测到。

“实际上，脂质就像邮政编码，让大脑中相距遥远但彼此相关的部分拥有相同的化学地址，”丹杰洛说。

隐藏的化学模式挑战以往的大脑图谱

新图谱还揭示了大脑中一些此前被科学家认为相对均一的部位存在令人惊讶的差异。

一个引人注目的例子是白质，即含有连接大脑不同区域的神经纤维的组织。白质并非具有大体一致的化学组成，而是包含众多不同的脂质区。

“这表明，制造髓鞘的细胞在化学性质上的多样性远超仅凭其基因所显示的，”卢卡·富萨尔·巴西尼说。

研究人员还在脉络丛——负责产生脑脊液的结构——以及衬在大脑内部腔室上的组织中，检测到此前未被识别的化学边界。

总之，这些发现表明，脂质图谱能够揭示仅凭解剖结构或遗传信息无法显现的大脑组织重要特征。

怀孕引发大脑脂质的广泛变化

除了识别大脑的化学结构外，该图谱还为这一结构在怀孕期间如何变化提供了新见解。

当研究人员检查怀孕小鼠时，他们发现众多脑区的脂质组成发生了显著变化。总体而言，这些变化比在雄性和雌性小鼠之间观察到的典型脂质差异更为明显。

构成大脑外层的皮层显示出尤其广泛的变化。与此同时，髓鞘的重要成分半乳糖基神经酰胺的水平在大脑白质的大部分区域急剧升高。

这些发现表明，怀孕涉及大脑化学构成的显著变化，这可能有助于其神经连接适应身体不断变化的需求。

“总之，这些变化表明，大脑会重新调整自身的线路连接，以满足怀孕的需求，”乔埃莱·拉曼诺说。“该图谱揭示，大脑会不断调整其脂质，以适应身体不断变化的需求。”

理解大脑衰老与疾病的新工具

脂质大脑图谱已在网上免费提供，使全球科学家能够探索大脑生物学中这一此前难以研究的方面。

通过将脂质信息与现有的遗传和细胞图谱相结合，研究人员可以更全面地理解大脑如何组织，以及其化学组成如何随时间变化。

该图谱还为健康小鼠脑组织建立了一个详细参考。科学家可以利用它来研究脂质分布紊乱如何影响大脑发育、衰老，以及阿尔茨海默病和抑郁症等疾病。

尽管这份具体的小鼠大脑图谱不能直接应用于人类，但用于创建它的方法可以帮助研究人员揭示人脑中类似的模式。

“能迁移到人类身上的不是这张图谱，而是这种方法，以及我们现在知道健康大脑本身就拥有一张高度有序的脂质图谱这一事实，”卢卡·富萨尔·巴西尼说。

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