9月16日，國家科技部發(fā)布了《科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南》。該項(xiàng)目圍繞腦認(rèn)知原理解析、認(rèn)知障礙相關(guān)重大腦疾病發(fā)病機(jī)理與干預(yù)技術(shù)、類腦計(jì)算與腦機(jī)智能技術(shù)及應(yīng)用、兒童青少年腦智發(fā)育和技術(shù)平臺(tái)建設(shè)5個(gè)方面，共部署指南方向59個(gè)，國撥經(jīng)費(fèi)概算31.48億元。

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“腦科學(xué)與類腦研究”2021重大項(xiàng)目明確指出需要利用模式動(dòng)物研究神經(jīng)細(xì)胞的起源、分化與老化進(jìn)程，突觸和神經(jīng)環(huán)路形成的機(jī)理研究，膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)功能中的作用，抑郁癥、阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)制研究等問題。這些基礎(chǔ)研究主要集中在2個(gè)方向，一是研究腦功能的細(xì)胞和分子機(jī)理，一是研究腦重大疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)理。

腦功能的細(xì)胞和分子機(jī)理

大腦是人體當(dāng)中發(fā)育最早、成熟最晚的器官，也是人體當(dāng)中最復(fù)雜的器官。大腦由神經(jīng)管的一端發(fā)育而成，小兒剛出生時(shí)，腦的重量僅有350-400克，大約是成人腦重的25%，到2歲時(shí)即達(dá)到成人腦重的75%，隨后繼續(xù)緩慢增長。大腦發(fā)育的另一個(gè)重點(diǎn)在于精簡神經(jīng)連接，在我們生命的頭15個(gè)月左右，神經(jīng)元之間的神經(jīng)突觸連接數(shù)量就達(dá)到最大了，再接著大腦開始大幅修剪這些錯(cuò)綜復(fù)雜的神經(jīng)連接，直到青春期結(jié)束。

圖2. 大腦發(fā)育過程

神經(jīng)元多樣性的起源問題是研究大腦發(fā)育的核心問題，大腦中主要的細(xì)胞類型有神經(jīng)母細(xì)胞、神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、成膠質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等。經(jīng)過多年的研究，科學(xué)家們已經(jīng)搞清楚了這些細(xì)胞的主要標(biāo)志物[2]，如腦室區(qū)祖細(xì)胞標(biāo)志物Emx2、Sox6等，室下區(qū)祖細(xì)胞標(biāo)志物Tbr2，Cux2等。但是哺乳動(dòng)物的大腦是相當(dāng)復(fù)雜的，粗略估計(jì)有一千多種不同的細(xì)胞類型，傳統(tǒng)的研究方法很難將大腦的細(xì)胞類型全部搞清楚。隨著單細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展，讓我們細(xì)分這千余種細(xì)胞成為了可能。

圖3.? 胚胎發(fā)育期小鼠大腦的標(biāo)志物

近日，瑞典科學(xué)家在Nature發(fā)表題為“Molecular architecture of the developing mouse brain”的文章，對發(fā)育過程中小鼠大腦的不同細(xì)胞進(jìn)行了詳盡的分類。作者共觀察到了87種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞亞型、171種神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞亞型和306種神經(jīng)元亞型[3]。小鼠大腦發(fā)育過程轉(zhuǎn)錄組圖譜的構(gòu)建有利于對哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行研究。

圖4.?發(fā)育中的小鼠大腦圖譜

同樣的，利用單細(xì)胞測序技術(shù)，成年小鼠大腦的細(xì)胞分型工作已經(jīng)完成了，相關(guān)研究結(jié)果同樣發(fā)表在Nature上。依據(jù)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、室管膜細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞等大類同樣可以將成年小鼠大腦細(xì)分出幾百種細(xì)胞類型[5]。值得一提的是，作者發(fā)現(xiàn)了七種不同的、受區(qū)域限制的星形膠質(zhì)細(xì)胞。這些細(xì)胞分類的研究結(jié)果為后續(xù)深入探究基因功能或疾病機(jī)理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5.?成年小鼠大腦的細(xì)胞分型

大腦的細(xì)胞分型是深入研究其分子機(jī)理的基礎(chǔ)，但我們還需要可靠的模型來完成這些研究。例如小鼠大腦皮層負(fù)責(zé)控制身體靈活性和平衡的GABA能神經(jīng)元，鑒定出它在胚胎發(fā)育和出生后不同的特異性標(biāo)志物[6]，構(gòu)建這些標(biāo)志物啟動(dòng)的Cre工具鼠，如Gad2-Ires-Cre；Sst-Ires-Cre等，將它們與帶有熒光標(biāo)簽（EGFP、Tdtomato等）或目的基因的flox小鼠配合使用，就可以在細(xì)胞層面和分子層面深入研究GABA能神經(jīng)元的功能。

圖6.?GABA能神經(jīng)元基因靶向的總體方案

南模生物在小鼠大腦細(xì)胞特定標(biāo)記基因中敲入Cre/Dre重組酶元件，研究者可以對每類細(xì)胞進(jìn)行定義、標(biāo)記及區(qū)分；或在特定神經(jīng)細(xì)胞中進(jìn)行精確的基因及細(xì)胞功能研究。各類神經(jīng)細(xì)胞研究工具小鼠模型信息見下表：

人腦包含大約1000億個(gè)神經(jīng)元，通過前文的簡單介紹我們知道這些神經(jīng)元有著許多不同的類型，那么單個(gè)的神經(jīng)元是如何實(shí)現(xiàn)大腦復(fù)雜精妙的功能的呢？回答這個(gè)問題需要引入一個(gè)概念——神經(jīng)環(huán)路。神經(jīng)環(huán)路是腦內(nèi)不同性質(zhì)和功能的神經(jīng)元通過各種形式形成的復(fù)雜連接。

本月，Science雜志重磅推出了頂級(jí)神經(jīng)科學(xué)家駱利群院士的綜述文章：Architectures of neuronal circuits。駱利群院士把神經(jīng)元比喻為字母，微環(huán)路比喻為單詞，神經(jīng)環(huán)路比喻為句子，大腦比喻為整篇文章[7]。當(dāng)今，對神經(jīng)系統(tǒng)的研究主要也是以神經(jīng)環(huán)路為基礎(chǔ)的，因?yàn)榇竽X發(fā)出的指令往往是一句話，而不是一個(gè)單詞或者一個(gè)字母。我們的喜怒哀樂，學(xué)習(xí)記憶等行為都是架構(gòu)在一個(gè)個(gè)神經(jīng)環(huán)路之上的。

圖7. 神經(jīng)環(huán)路調(diào)節(jié)的原理

光遺傳學(xué)是研究神經(jīng)環(huán)路的一個(gè)新興手段，它整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物工程技術(shù)。其主要原理是首先采用基因操作技術(shù)將光感基因（如ChR2、eBR、NaHR3.0、Arch或OptoXR等）轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)特定類型的細(xì)胞中進(jìn)行特殊離子通道或GPCR的表達(dá)。光感離子通道在不同波長的光照刺激下會(huì)分別對陽離子或者陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的[10]。

圖8. 常用光感基因

ChR2是一個(gè)常用的光感基因，研究發(fā)現(xiàn)將其第134位氨基酸組胺酸突變?yōu)榫匪?，得到的ChR2-H134R在受到藍(lán)光照射時(shí)可以產(chǎn)生兩倍的光電流，通道開關(guān)速度比野生的ChR2慢了一倍，ChR2-H134R更適合用于光遺傳的研究中。

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與光遺傳學(xué)一樣，化學(xué)遺傳學(xué)在神經(jīng)環(huán)路研究中的應(yīng)用也十分廣泛?；瘜W(xué)遺傳學(xué)是利用生物活性小分子與蛋白相互作用研究生物學(xué)系統(tǒng)功能的一種方法。在化學(xué)遺傳學(xué)中，DREADDs被用來激活或抑制目標(biāo)神經(jīng)元。DREADDs是一種基于G蛋白偶聯(lián)受體所改造的化學(xué)遺傳學(xué)平臺(tái)，通過將不同的G蛋白偶聯(lián)受體進(jìn)行改造，修改后的受體只能由人工合成的特殊化合物來激活或者抑制，并激活相應(yīng)的GPCR信號(hào)通路，從而引發(fā)細(xì)胞不同的興奮性變化[11]。

圖9.?hM3Dq 和hM4Di 的DREADD結(jié)構(gòu)和G蛋白偶聯(lián)特性

hM3Dq和hM4Di是2種常用的DREADD。Gq偶聯(lián)的DREADD hM3Dq是一個(gè)修飾的人M3毒蕈堿受體，對天然配體乙酰膽堿親和力低，但對合成配體氯氮平N氧化物(CNO)親和力高。在CNO刺激下，hM3Dq起到激發(fā)神經(jīng)元的作用。Gi偶聯(lián)的hM4Di DREADD常被用來沉默靶向神經(jīng)元，在CNO刺激下，hM4Di則導(dǎo)致神經(jīng)元的抑制。

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據(jù)世界衛(wèi)生組織定量評價(jià)，全球各類疾病給社會(huì)造成的負(fù)擔(dān)中，腦疾病占28%，已超過心血管疾病或癌癥。其中備受關(guān)注的腦疾病包括自閉癥、抑郁癥、神經(jīng)退行性疾病、帕金森等，目前我們對這些重大腦疾病的病因仍不了解，治療的措施也十分缺乏?？茖W(xué)家們需要繼續(xù)探索這些重大腦病的致病機(jī)理，并開發(fā)相應(yīng)的藥物。機(jī)理研究和新藥物的研發(fā)均需要合適的動(dòng)物模型，因此，建立可用于腦重大腦病的模式動(dòng)物是不可或缺的一環(huán)[1]。

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自閉癥，又稱孤獨(dú)癥主要表現(xiàn)為人際交往、 情感、語言交流等方面的障礙，以及狹隘的興趣和重復(fù)刻板等怪異行為。我國0—6歲低齡兒童占人口總數(shù)近 8%，自閉癥的發(fā)病率很高，一般平均在1%左右。根據(jù)局部抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)保守推算，我國患兒人數(shù)已過百萬，受自閉癥困擾的人群可能達(dá)千萬。

Cntnap2基因敲除小鼠是研究自閉癥常用的動(dòng)物模型，CNTNAP2基因位于7號(hào)染色體上, 編碼CASPR2蛋白，該蛋白主要以細(xì)胞粘附分子和受體的形式在脊椎動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮功能。Cntnap2-KO小鼠表現(xiàn)出社交互動(dòng)減少，重復(fù)行為增多，以及青少年的超聲波發(fā)聲減少等自閉癥樣行為[8]。

圖10. Cntnap2-KO小鼠自閉癥表型?

除此之外，Mecp2-KO，Nlgn3-KO，Nlgn-R451C等小鼠也是研究自閉癥常用的模型。

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精神疾病是由神經(jīng)系統(tǒng)病變導(dǎo)致的行為和心理活動(dòng)紊亂，表現(xiàn)為認(rèn)知、情感、意志等精神活動(dòng)出現(xiàn)不同程度的障礙。其中抑郁癥最為普遍，據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心調(diào)查，我國抑郁癥的發(fā)病率超過4%，患者人數(shù)超過3000 萬，已成為影響我國人民生產(chǎn)生活的主要病癥之一。

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社會(huì)壓力等環(huán)境因素是抑郁的重要危險(xiǎn)因素，通常被用來誘發(fā)嚙齒類動(dòng)物的抑郁樣行為，但這種方法具有許多缺點(diǎn)：第一，缺乏特異性，使動(dòng)物更容易陷入焦慮癥，而不是因其本身而導(dǎo)致抑郁。第二，與生物危險(xiǎn)因素相比，抑郁癥中環(huán)境危險(xiǎn)因素的相關(guān)性被高估了。第三，在動(dòng)物中評價(jià)情緒、內(nèi)疚、自殺意念等抑郁癥核心情緒癥狀是不可行的[9]。這些都限制了抑郁癥動(dòng)物模型的應(yīng)用，無法真正的了解抑郁癥的發(fā)病機(jī)制，也就限制了抗抑郁藥物的研發(fā)。時(shí)至今日，建立合適的抑郁癥模型依然任重道遠(yuǎn)。

神經(jīng)退行性疾病是一類以神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能逐漸喪失以至死亡為特征的神經(jīng)系統(tǒng)病變。其中常見的是阿爾茨海默綜合征，在65歲及以上的人群中發(fā)病率約13%，并且發(fā)病率隨著年齡的增長而大幅提高。85歲及以上的人群，約有一半以上患有此病。2014年我國老齡人口已突破2億大關(guān)，并且將以每年100萬的速度增長。我國屬老年癡呆癥的高發(fā)地區(qū)，目前患者人數(shù)超過600萬，居全球首位，且呈明顯上升趨勢。

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南模生物自主構(gòu)建了多種基因修飾小鼠，可用于阿爾茲海默病（AD）、帕金森（PD）、自閉癥（ASD）等重大腦病的研究。模型詳細(xì)信息見下表：

南模生物深耕基因編輯領(lǐng)域，提供全方位模式生物服務(wù)，包括基因修飾成品模型供應(yīng)、個(gè)性化模型定制、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥效評價(jià)等，滿足不同實(shí)驗(yàn)室需求。