科学家绘制大脑脂质隐藏地图，发现539个化学分区

科学家们花费数十年研究大脑的细胞、连接、基因和蛋白质。然而，大脑生物学的另一个重要部分却远未受到关注：脂质。这些脂肪分子构成了神经元周围的膜，参与形成保护神经纤维的髓鞘绝缘层，并在脑细胞之间的通信中发挥重要作用。

尽管脂质对大脑功能至关重要，科学家们却难以绘制出不同类型脂质的分布图。传统的成像技术无法轻易区分单个脂质分子，这在我们对大脑化学组织的理解上留下了一个重大空白。

“因此，科学家们对大脑不同部位脂质差异的了解一直很模糊，”EPFL营养与代谢讲席教授Giovanni D'Angelo说，“这个空白很重要，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各种疾病联系在一起。”

EPFL的研究人员现已朝着填补这一空白迈出了重要一步。由D'Angelo、Luca Fusar Bassini和Gioele La Manno领导的团队创建了一幅详细的地图，展示了脂质在小鼠大脑中的分布情况。

他们的《脂质大脑图谱》揭示出这些分子以高度有序的模式排列。其中一些与熟悉的解剖结构相吻合，而另一些则揭示了以往方法所忽视的化学边界。这些模式非常独特，研究人员仅通过检查脂质组成就能确定脑组织样本的来源。

研究结果发表在《Nature》上。

科学家在大脑中识别出539个不同的化学区域

为了构建这幅图谱，研究人员使用了质谱成像技术，该技术使他们能够在脑组织薄切片上识别脂质分子。激光逐点扫描每个切片，生成关于存在哪些脂质及其所在位置的详细信息。

团队分析了从11只小鼠采集的109张脑切片中的172种不同脂质。这产生了约700万次测量，科学家们利用专门为该项目开发的机器学习工具，将这些数据整合成一个全面的3D重建模型。

最终的图谱揭示了539个化学上截然不同的区域，研究人员将其命名为“lipizones”（脂质区）。每个区域都有其特征性的脂质组合，形成可识别的化学特征。

其中许多区域对应于已确立的大脑结构和细胞类型。其他区域则揭示了神经细胞体群与通过其纤维相连的远端区域之间出人意料的关系。这类连接在基于基因活性的地图上往往难以检测。

“实际上，脂质就像邮政编码，为大脑中遥远但相关的部位赋予相同的化学地址，”D'Angelo说。

隐藏的化学模式挑战了以往的大脑地图

这幅新图谱还揭示了科学家此前认为相对均质的大脑部位内部存在令人惊讶的差异。

一个引人注目的例子是白质，即包含连接不同脑区的神经纤维的组织。白质并非具有基本一致的化学成分，而是包含众多不同的脂质区域。

“这表明，产生髓鞘的细胞在化学成分上的差异远比单看其基因所暗示的要大得多，”Luca Fusar Bassini说。

研究人员还在脉络丛——即负责产生脑脊液的结构——以及衬覆脑内部腔室的组织中，检测到了此前未被识别的化学边界。

这些发现共同表明，脂质图谱能够揭示大脑组织结构的重要特征，而这些特征仅凭解剖学或遗传信息是无法显现的。

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，该图谱还为这种结构在怀孕期间如何变化提供了新的见解。

研究人员检查怀孕小鼠时发现，多个脑区的脂质组成发生了显著变化。总体而言，这些变化比雄性和雌性小鼠之间通常观察到的脂质差异更为明显。

构成大脑外层的皮层显示出尤为广泛的变化。与此同时，半乳糖脑苷脂——髓鞘的重要组成部分——在整个大脑白质的大部分区域急剧升高。

这些发现表明，怀孕期间大脑的化学构成会发生显著变化，这可能有助于其神经连接适应身体不断变化的需求。

"这些变化共同表明，大脑会重新调整自身的连接方式，以适应怀孕的需求，"Gioele La Manno 说道，"图谱显示，大脑会不断调整其脂质，以满足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站上免费公开，让全球科学家得以探索这一此前难以研究的大脑生物学层面。

通过将脂质信息与现有的基因和细胞图谱相结合，研究人员可以更全面地了解大脑的组织方式及其化学成分随时间的变化。

该图谱还为健康小鼠脑组织建立了详细的参考基准。科学家可以利用它来研究脂质分布的紊乱如何可能导致大脑发育、衰老以及阿尔茨海默病和抑郁症等疾病。

尽管这张特定的小鼠脑图谱不能直接应用于人类，但创建它所采用的方法可以帮助研究人员在人类大脑中发现类似的模式。

"能迁移到人类身上的不是图谱，而是方法，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，"Luca Fusar Bassini 说道。