Cell：利用人工智慧繪製衰老大腦的基因表達圖譜

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在一項新的研究中，來自比利時魯汶大學（VIB-KU Leuven）Stein Aerts教授及其團隊首次在果蠅衰老過程中繪製出每個腦細胞的基因表達圖譜。由此產生的「細胞圖譜」為大腦在衰老過程中的運作提供了前所未有的見解。這種細胞圖譜被認為是開發有助於更好地理解人類疾病發展的技術而邁出重要的第一步。相關研究結果於2018年6月14日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「A Single-Cell Transcriptome Atlas of the Aging Drosophila Brain」。

圖片來自CC0 Public Domain。

果蠅的大腦由大約10萬個細胞組成，儘管它比人腦小得多，但它包含數百種不同類型的神經元和其他形成複雜網路的細胞，非常像人類大腦。

Aerts解釋道，「為了真正理解大腦的運作，即使對像果蠅一樣小的有機體，我們也需要放大觀察每個細胞。所有的器官和組織都由許多不同的細胞組成，這些細胞彼此之間進行溝通來執行它們的特定功能。儘管它們具有相同的DNA，但它們都表達一組不同的基因，因此為了理解真正發生了什麼，我們需要知道哪些細胞在做什麼和什麼時候做。」

通過利用果蠅作為模型生物，這些研究人員直面這一挑戰，立即開始研究最複雜的器官---大腦。

作為Aerts團隊的一名成員，Kristofer Davie說，這不是一件容易的事情：「果蠅大腦中有大約15000個基因和大約10萬個細胞。因此快速計算顯示我們研究10億多個數據點，並隨著時間的推移分析它們並繪製圖譜。」

分析這些海量數據的唯一方法是獲得人工智慧的一點幫助。基於從來自不同年齡的果蠅的腦細胞收集的信息，這些研究人員使用機器學習方法來準確地預測細胞的年齡。

與人類大腦類似的是，果蠅大腦具有不同的負責睡眠、記憶、嗅覺等功能的細胞。這些研究人員對80多種不同的細胞類型簇（cell type cluster）進行了分門別類，並且有趣的是，他們也發現並非所有腦細胞都以相同的方式衰老。

繪製數千個細胞的基因表達譜是一項艱巨的工作，那麼是什麼促進這些研究人員完成他們的使命？Aerts解釋道，「細胞不斷地改變它們的作用：隨著它們的衰老，它們對環境變化和疾病作出的反應也發生變化。最高目標就是實時評估患者組織和細胞的分子狀態，從而允許對任何疾病進行早期診斷並進行有效的個性化治療。但是要實現這一目標，我們需要開發模型和工具以便了解細胞發生的動態變化。」

因此繪製衰老的果蠅大腦圖譜是一個重要的技術壯舉。Aerts團隊在世界上首次在這個細節層次上繪製出整個有機體大腦的圖譜。

Aerts說，「我們已通過一個獨特的在線分析平台免費提供我們所有的果蠅大腦數據，其他科學家也能夠在這個平台上存儲他們的數據。」他與使用單細胞技術研究果蠅不同器官的國際同事一道創立了果蠅細胞圖譜聯盟（Fly Cell Atlas consortium）。「對於生物醫學研究來說，這是一個非常激動人心的時刻。通過在單細胞解析度下研究基因表達，我們發現了很多我們幾乎無法跟上的信息。」

原始出處：

Kristofer Davie9, Jasper Janssens9, Duygu Koldere et al. A Single-Cell Transcriptome Atlas of the Aging Drosophila Brain. Cell, Published online: June 14, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.05.057

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