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Cell ,Nature和Science 三大期刊2020年年度最佳论文全部公布，brainnews编辑部摘选其中跟脑科学相关的文章，跟大家一起回顾学习。
其中，Cell有2篇，Nature和Science各1篇。
01
迄今为止最大的自闭症外显子组测序研究
近日，Stephan J. Sanders等人在Cell杂志发表了迄今为止最大的自闭症谱系障碍（ASD）外显子组测序（WES）研究（总样本n = 35584、其中ASD患者11986例）。基于Bayesian分析框架结合新生突变（DNMs）和病例对照的罕见突变，识别出102个与ASD相关的基因（FDR ≤ 0.1）。由于ASD是神经发育迟缓（NDD）中常见的症状群之一，研究发现具有破坏性DNMs的102种与ASD相关基因亚群更多发现于在确诊NDD或ASD的人群中。
图. ASD风险基因的发现
在这102个多与大脑发育和功能紧密相关的风险基因中，31个是新型的风险基因；在具有严重神经发育迟缓的个体中，49个表现出高频率的破坏性新生突变；ASD个体中，53个以较高频率出现，通过比较这些组间ASD突变可发现具有表型差异，对风险基因的分析为我们带来了新的遗传、表型和功能发现。
对于ASD基因突变模式的研究中发现，蛋白截短突变（PTVs）与错义突变的比率在基因之间存在很大差异，均影响基因突变模式。通过新生错义突变改变的基因，包括编码神经元电压门控Kv7.3离子通道的KCNQ3功能获得性突变以及编码神经元分化的DEAF1、编码电压门控Na+通道的SCN1A和编码与智力障碍和认知损伤相关的电压门控GABA转运体的SLC6A1一些类似功能获得性突变或功能改变的模式为ASD带来风险。此外，研究表明大量的拷贝数变异（copy number variants，CNVs）是ASD另一种重要风险基因的来源。通过基因组疾病（GD）位点进一步证明，位于第2号染色体2p15-p16.1的周期性CNVs新型驱动基因BCL11A对作为ASD的新型风险基因。
通过全基因组相关性研究（GWAS）信号研究ASD常见突变是否与102个风险基因重叠，研究发现KMT2E同时存在于GWAS 和102个风险基因中。ASD相关的102个风险基因与精神分裂症（SCZ）和受教育程度（EA）的GWAS信号具有基因相关性。结果表明常见和罕见风险突变与ASD显著相关。
研究将基因划分为两类：诱导产生ASD的基因（ASDP）和同时赋予ASD和NDD风险的基因（ASDNDD）。在受试者中，认知损伤和运动迟缓的发生频率更高（均由ASD确定），其中ASDNDD的突变高于ASDP基因的突变；而遗传变异在ASDNDD中的作用要小于在ASDP基因中的作用。与ASD相关的基因分布在一系列的表型和选择性压力上。
在一个极端情况下，基因单倍体不足会导致整体发育迟缓，伴有认知、社交和总体运动技能受损会导致强烈的否定选择（例如ANKRD11, ARID1B）。在另一个极端，基因单倍体不足会导致ASD，但其他发育表型和选择性压力（例如GIGYF1, ANK2）的参与程度却较小。
这种区别对临床医生，遗传学家和神经科学家而言具有重要的意义，这些基因在神经发育各方面的影响可能提供了一种途径，将ASD的社会功能障碍和重复性行为从更普遍的NDD中分离出来。与NDD相比，将需要更大的群体来鉴定ASD的特定基因。
通过发育中的人类皮层单细胞基因表达数据来研究ASD相关基因的细胞功能，结果表明从胎儿中期发育阶段，风险基因在兴奋性和抑制性神经元谱系中大量表达，这与导致ASD兴奋性/抑制性失衡的多种途径一致，证实了其在神经元传导或调节基因表达中的作用，也表明这些功能是可分离的。
综上，文中102种风险基因的发现很可能是理解构成ASD表型基础的神经生物学的关键。但关于ASD中改变神经发育和神经生理的基本问题——包括何时发生、何处以及在哪种细胞类型中——仍待解决。
参考文献：Large-Scale Exome Sequencing Study Implicates Both Developmental and Functional Changes in the Neurobiology of Autism. Cell.2020.
02
CD4+ T细胞的嘌呤合成紊乱与压力引发的焦虑症间的重要联系
身体或精神紧张会导致大脑神经可塑性和增加抑郁症和焦虑症的风险。应激暴露导致外周T淋巴细胞功能障碍。然而，尚未充分建立在情绪障碍中外周T淋巴细胞的病理作用和潜在的调节机制。
2019年10月31日，浙江大学靳津和东南大学柴人杰共同通讯在Cell 在线发表题为“Stress-Induced Metabolic Disorder in Peripheral CD4+ T Cells Leads to Anxiety-like Behavior”的研究论文，表明缺乏CD4 + T细胞免受应激引起的焦虑样行为的小鼠。物理应激诱导的白三烯B4触发CD4 + T细胞中的严重线粒体裂变，进而导致各种行为异常，包括焦虑，抑郁和社交障碍。该研究提示了CD4 + T细胞中嘌呤代谢紊乱与应激驱动的焦虑样行为之间的关键联系。
包括恐惧和应激在内的情绪反应被认为是我们生活中积极或消极情况的正常心理和生理反应。然而，被称为慢性应激（CS）的频繁的急性情绪反应是会增加患抑郁症和焦虑症风险的病理状况。当前用于焦虑或抑郁的大多数治疗药物，例如选择性单胺神经递质再摄取抑制剂，都直接靶向中枢神经系统（CNS）。但是，这些药物伴有许多副作用，包括性功能障碍，全身性代谢紊乱和持续性高血压。因此，了解情绪障碍的发病机制对开发非传统治疗药物具有重要意义。
CD4 + T细胞在应激诱导的焦虑样行为中起重要作用
关于T细胞对焦虑发作的影响的多个问题仍有待回答，包括（1）T淋巴细胞在应激诱导的焦虑样行为中的生理功能，（2）压力诱发的焦虑是否取决于周围T细胞的激活（3）情绪障碍中病理性T细胞的印迹特征（4）病理性T细胞调节中枢神经系统神经元或非神经元细胞活性的分子机制。
CD4 + T细胞衍生的黄嘌呤通过AdorA1作用于杏仁核的少突胶质细胞
在该研究中，表明缺乏CD4 + T细胞免受应激引起的焦虑样行为的小鼠。物理应激诱导的白三烯B4触发CD4 + T细胞中的严重线粒体裂变，进而导致各种行为异常，包括焦虑，抑郁和社交障碍。代谢组学特征和单细胞转录组显示，CD4 + T细胞来源的黄嘌呤通过腺苷受体A1作用于左杏仁核的少突胶质细胞。线粒体裂变通过CD4 + T细胞中干扰素调节因子1的积累促进嘌呤从头合成。该研究暗示了CD4 + T细胞中嘌呤代谢紊乱与应激驱动的焦虑样行为之间的关键联系。
文章总结
总而言之，该研究确定外周CD4 + T细胞是应激诱导的情绪障碍的关键介质。将来，阐明特定的CD4 + T细胞亚群是否调节焦虑症患者的情绪和行为将变得很有趣。阐明LTB4促进CD4 + T细胞线粒体形态的机制也很重要。 结合这两者，应激结果提供了洞察力适应性免疫在神经发育和神经精神疾病中的生理功能。 该研究发现对于开发针对各种精神病和代谢性疾病的有价值的治疗方法具有深远的意义。
参考信息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31117-1#
03
Nature：重磅！揭示压力导致头发变白机制！交感神经过度激活导致色素再生干细胞耗竭
长期以来，一些奇闻轶事将压力经历与头发变白现象联系起来。如今，在一项新的研究中，来自美国哈佛大学等研究机构的研究人员首次确切地发现了这个过程是如何进行的：压力激活了作为战斗或逃避反应（fight-or-flight response）一部分的神经，这接着对毛囊中的色素再生干细胞（pigment-regenerating stem cell）造成了永久性损害。这一发现提高了科学家们对压力如何影响身体的认识。相关研究结果于2020年1月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Hyperactivation of sympathetic nerves drives depletion of melanocyte stem cells”。论文通讯作者为哈佛大学干细胞与再生生物学副教授Ya-Chieh Hsu博士。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1935-3。
Hsu说，“每个人都有关于压力如何影响他们身体的趣闻，尤其是在他们的皮肤和头发上---这是我们唯一能够从外面看到的两种组织。我们想要理解这种关联性是否正确，如果是正确的话，那么压力如何导致多种组织发生变化。头发色素沉着（hair pigmentation）一种容易触及的易于处理的过程，除此之外，我们真地很想知道压力是否真正地导致了头发变白。”
缩小罪魁祸首的范围
鉴于压力会影响整个身体，因此这些研究人员首先必须确定哪种身体系统负责将压力与头发颜色联系在一起。他们首先假设压力会导致对色素产生细胞（pigment-producing cell, 产生色素的细胞）发生免疫攻击。但是，当缺乏免疫细胞的小鼠仍显示出毛发变白时，他们转向了一种称为皮质醇的激素。但是，这又是一个死胡同。
Hsu说，“压力总是会增加体内皮质醇的水平，因此我们认为皮质醇可能起一定作用。但是令人吃惊的是，当我们从小鼠身上切除肾上腺以致它们不能产生类似皮质醇的激素时，它们的毛发在压力下仍会变白。”
在系统性地消除各种可能性之后，这些研究人员着重关注负责身体斗或逃跑反应的交感神经系统。
交感神经延伸到皮肤上的每个毛囊中。这些研究人员发现，压力会使这些神经释放出化学物去甲肾上腺素，这种物质会被附近的色素再生干细胞吸收。
永久损伤
在毛囊中，某些干细胞充当色素产生细胞的储存库。当头发再生时，一些干细胞会转变为让头发变色的色素产生细胞。
这些研究人员发现，来自交感神经的去甲肾上腺素会导致这些干细胞过度激活。这些干细胞都会转化为色素产生细胞，从而过早地耗尽了这种干细胞储存库。
Hsu说，“当我们开始研究这一点时，我原以为压力对身体有害，但是我们发现压力所带来的有害影响却超出了我的想象。几天后，所有色素再生干细胞都丢失了。一旦它们消失了，你就无法再色素。这种损伤是永久性的。”
这些研究人员说，这一发现强调了一种原本具有保护作用的进化反应的负面影响。论文第一作者、哈佛大学博士后研究员Bing Zhang说，“急性压力（acute stress，也译为急性应激），特别是战斗或逃避反应，传统上被认为对动物的生存有利。但是，在这种情况下，急性压力会导致某些干细胞永久性耗竭。”
回答一个基本问题
为了将压力与头发变白联系起来，这些研究人员从全身反应开始，逐步缩小到各个器官系统，细胞与细胞之间的相互作用，最后一直到分子动力学。这一过程需要各种研究工具，包括操纵器官、神经和细胞受体的方法。
Zhang说，“为了从最高层次到最小细节，我们与许多学科的许多科学家们合作，使用不同方法的组合来解决一个非常基本的生物学问题。”
这些合作者包括哈佛医学院免疫学助理教授Isaac Chiu，他研究了神经系统与免疫系统之间的相互作用。
Chiu说，“我们知道外周神经元可以有效调节器官功能、血管和免疫反应，但是对它们如何调节干细胞的了解还很少。通过这项研究，我们如今知道神经元可以控制干细胞及其功能，并可以解释它们如何在细胞和分子水平上相互作用，从而将压力与头发变白联系起来。”
这些发现有助于阐明压力对各种器官和组织的广泛影响。这种理解将为开展寻求改变或阻止压力的破坏作用的新研究铺平道路。
Hsu说，“通过精确地了解压力如何影响色素再生干细胞，我们为了解压力如何影响身体的其他组织和器官奠定了基础。了解我们的组织如何在压力下发生变化是朝着可以阻止或逆转压力的有害影响的最终治疗的关键第一步。在这一领域，我们仍有很多东西要学习。”
参考文献：
1.Bing Zhang et al. Hyperactivation of sympathetic nerves drives depletion of melanocyte stem cells. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1935-3.
04
《科学》封面研究解开世纪之谜：为什么它们的脑子如此“简单”，却又如此聪明？
▎药明康德内容团队编辑
很多鸟十分聪明。一些科学实验表明，乌鸦可以从镜子中认出自己，会制造工具；鸽子学习英文拼写的水平足以与6岁儿童媲美，还能区分得出莫奈和毕加索的画。
图片来源：123RF
尽管鸟类表现出了非凡的认知能力，有一个问题却让科学家困惑了一百多年：它们的大脑组织看起来是如此的简单，与我们人类为代表的哺乳动物无法相提并论。
根据19世纪以来的科学观点，哺乳动物拥有的大脑新皮层在水平方向和垂直方向都形成了有序的分层结构，这个重要的组织特点为学习、记忆等认知功能提供了基础。相比之下，鸟类的大脑看起来就是密集堆积的一团团灰色细胞。
而在最新一期《科学》上，同时发表的两篇研究终于解开了这一世纪谜团。
截图来源：Science
德国波鸿鲁尔大学（Ruhr University Bochum）的研究人员，利用一种高分辨率成像的新技术分析了多种鸟类的大脑。这种技术名为3D偏振成像，用不同方向的光对大脑重复成像，能够显示单个神经纤维的方向。
令研究人员惊讶的是，对鸽子大脑的分析结果显示，其大部分神经纤维也是纵横交错的，形成了水平方向的层状和垂直方向的柱状，与哺乳动物的皮层组织十分相似。
▲小鼠（左）和鸽子（右）的脑中都显示出径向和切向的神经纤维结构（图片来源：参考资料[1]）
接下来的一组实验中，科学家们将一种神经回路追踪剂，分别注入鸽子和猫头鹰的大脑中，仔细检查了神经细胞的相互连接。在处理感觉信息的脑区，研究人员同样观察到了神经纤维的有序组织。
▲鸟的某些脑区也有神经细胞的分层结构，与哺乳动物大脑皮层类似（图片来源：参考资料[5]；Credit：RUB, Biopsychlogy）
另一篇研究论文中，科学家们采用了与测试灵长类动物意识类似的方法，考察了小嘴乌鸦（Corvus corone），重点关注了它们大脑中一个叫NCL（nidopallium caudolaterale）的脑区，这个脑区被认为负责高级认知功能，类似于我们哺乳动物的前额叶皮层。
研究人员训练两只乌鸦完成视觉检测任务，与此同时用植入的电极记录了它们NCL数百个神经元的单细胞活性。他们发现，当乌鸦意识到视觉刺激存在和不存在时，单个神经元会相应地有不同的反应模式。研究人员指出，这种神经活动可能是意识的标志。
▲这项研究登上了《科学》封面（图片来源：Science；照片：Photo: Tobias Machts, University of Tübingen）
《科学》杂志对这两项新研究给予了高度评价，认为它们是开创性的，从神经“硬件”的角度，为我们理解“意识”等复杂认知能力的起源提供了新的洞见。
参考资料：
[1] Martin Stacho et al., (2020) A cortex-like canonical circuit in the avian forebrain. Science. DOI: 10.1126/science.abc5534
[2] Andreas Neider et al., (2020) A neural correlate of sensory consciousness in a corvid bird. Science. DOI: 10.1126/science.abb1447.
[3] Suzana Herculano-Houzel (2020) Birds do have a brain cortex—and think. Science. DOI: 10.1126/science.abe0536
[4] Newfound brain structure explains why some birds are so smart—and maybe even self-aware. Retrieved Sep. 26, 2020, from https://www.sciencemag.org/news/2020/09/newfound-brain-structure-explains-why-some-birds-are-so-smart-and-maybe-even-self-aware
[5] Bird brains' cortex-like structure may be behind complex cognition, and even consciousness. Retrieved Sep. 26, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases_ml/2020-09/aaft-6092220.php
[6] The surprising organization of avian brains. Retrieved Sep. 26, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/rb-tso092520.php
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