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9月16日，國家科技部發(fā)布了《科技創(chuàng)新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》。該項目圍繞腦認知原理解析、認知障礙相關重大腦疾病發(fā)病機理與干預技術、類腦計算與腦機智能技術及應用、兒童青少年腦智發(fā)育和技術平臺建設5個方面，共部署指南方向59個，國撥經費概算31.48億元。

（ 圖片來自網絡）

“腦科學與類腦研究”2021重大項目明確指出需要利用模式動物研究神經細胞的起源、分化與老化進程，突觸和神經環(huán)路形成的機理研究，膠質細胞在神經系統(tǒng)功能中的作用，抑郁癥、阿爾茲海默癥的發(fā)病機制研究等問題。這些基礎研究主要集中在2個方向，一是研究腦功能的細胞和分子機理，一是研究腦重大疾病的發(fā)生發(fā)展機理。

腦功能的細胞和分子機理

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

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

近日，瑞典科學家在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胞進行了詳盡的分類。作者共觀察到了87種神經膠質細胞亞型、171種神經節(jié)母細胞亞型和306種神經元亞型[3]。小鼠大腦發(fā)育過程轉錄組圖譜的構建有利于對哺乳動物神經系統(tǒng)發(fā)展進行研究。

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

大腦的細胞分型是深入研究其分子機理的基礎，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責控制身體靈活性和平衡的GABA能神經元，鑒定出它在胚胎發(fā)育和出生后不同的特異性標志物[6]，構建這些標志物啟動的Cre工具鼠，如Gad2-Ires-Cre；Sst-Ires-Cre等，將它們與帶有熒光標簽（EGFP、Tdtomato等）或目的基因的flox小鼠配合使用，就可以在細胞層面和分子層面深入研究GABA能神經元的功能。

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

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

本月，Science雜志重磅推出了頂級神經科學家駱利群院士的綜述文章：Architectures of neuronal circuits。駱利群院士把神經元比喻為字母，微環(huán)路比喻為單詞，神經環(huán)路比喻為句子，大腦比喻為整篇文章[7]。當今，對神經系統(tǒng)的研究主要也是以神經環(huán)路為基礎的，因為大腦發(fā)出的指令往往是一句話，而不是一個單詞或者一個字母。我們的喜怒哀樂，學習記憶等行為都是架構在一個個神經環(huán)路之上的。

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

ChR2是一個常用的光感基因，研究發(fā)現(xiàn)將其第134位氨基酸組胺酸突變?yōu)榫匪幔玫降腃hR2-H134R在受到藍光照射時可以產生兩倍的光電流，通道開關速度比野生的ChR2慢了一倍，ChR2-H134R更適合用于光遺傳的研究中。

與光遺傳學一樣，化學遺傳學在神經環(huán)路研究中的應用也十分廣泛。化學遺傳學是利用生物活性小分子與蛋白相互作用研究生物學系統(tǒng)功能的一種方法。在化學遺傳學中，DREADDs被用來激活或抑制目標神經元。DREADDs是一種基于G蛋白偶聯(lián)受體所改造的化學遺傳學平臺，通過將不同的G蛋白偶聯(lián)受體進行改造，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，并激活相應的GPCR信號通路，從而引發(fā)細胞不同的興奮性變化[11]。

hM3Dq和hM4Di是2種常用的DREADD。Gq偶聯(lián)的DREADD hM3Dq是一個修飾的人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)神經元的作用。Gi偶聯(lián)的hM4Di DREADD常被用來沉默靶向神經元，在CNO刺激下，hM4Di則導致神經元的抑制。

據世界衛(wèi)生組織定量評價，全球各類疾病給社會造成的負擔中，腦疾病占28%，已超過心血管疾病或癌癥。其中備受關注的腦疾病包括自閉癥、抑郁癥、神經退行性疾病、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家們需要繼續(xù)探索這些重大腦病的致病機理，并開發(fā)相應的藥物。機理研究和新藥物的研發(fā)均需要合適的動物模型，因此，建立可用于腦重大腦病的模式動物是不可或缺的一環(huán)[1]。

自閉癥，又稱孤獨癥主要表現(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刻板等怪異行為。我國0—6歲低齡兒童占人口總數近 8%，自閉癥的發(fā)病率很高，一般平均在1%左右。根據局部抽樣調查數據保守推算，我國患兒人數已過百萬，受自閉癥困擾的人群可能達千萬。

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

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。

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

社會壓力等環(huán)境因素是抑郁的重要危險因素，通常被用來誘發(fā)嚙齒類動物的抑郁樣行為，但這種方法具有許多缺點：第一，缺乏特異性，使動物更容易陷入焦慮癥，而不是因其本身而導致抑郁。第二，與生物危險因素相比，抑郁癥中環(huán)境危險因素的相關性被高估了。第三，在動物中評價情緒、內疚、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物模型的應用，無法真正的了解抑郁癥的發(fā)病機制，也就限制了抗抑郁藥物的研發(fā)。時至今日，建立合適的抑郁癥模型依然任重道遠。

神經退行性疾病是一類以神經元的結構和功能逐漸喪失以至死亡為特征的神經系統(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，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)，目前患者人數超過600萬，居全球首位，且呈明顯上升趨勢。

南模生物自主構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。模型詳細信息見下表：

南模生物深耕基因編輯領域，提供全方位模式生物服務，包括基因修飾成品模型供應、個性化模型定制、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥效評價等，滿足不同實驗室需求。