AI解碼大腦基因，揭開進化之謎

科學家們運用深度學習技術，分析並比較人類與雞隻大腦中不同細胞型別的基因調控機制。比利時研究團隊最近發表在《科學》期刊上的一項研究，探討了基因調控開關如何在不同物種間定義大腦細胞型別。研究人員利用從人類、老鼠和雞隻大腦資料訓練出的深度學習模型，發現某些細胞型別在鳥類與哺乳動物之間經過數百萬年的進化後仍高度保守，而其他細胞型別則出現了顯著分化。這些發現為大腦進化提供了新的見解，並為研究基因調控如何影響不同物種及疾病狀態下的細胞型別發展提供了寶貴工具。

我們的大腦，乃至整個身體，由許多不同型別的細胞組成。雖然這些細胞共享相同的DNA，但它們各自擁有獨特的形狀和功能。讓每種細胞型別與眾不同的關鍵，在於一系列像開關一樣的短DNA序列，它們控制著基因的開啟或關閉。這些開關的精細調控確保了每種大腦細胞從基因組中提取正確的遺傳指令，以執行其獨特的功能。科學家將這些基因開關的獨特模式稱為「調控密碼」。

VIB.AI與VIB-KU魯汶大腦與疾病研究中心的Stein Aerts教授及其團隊，致力於研究這種調控密碼的基本原理，以及它如何影響癌症或腦部疾病等疾病。他們開發了深度學習方法，以幫助理解從成千上萬個單細胞中收集到的基因調控資訊。Aerts解釋道：「深度學習模型在DNA序列解碼方面幫助我們識別了不同細胞型別間的調控機制。現在，我們想探索這種調控密碼是否也能告訴我們這些細胞型別在不同物種間的保守性。」

大腦就是一個典型的例子。儘管哺乳動物和鳥類的大腦在發育軌跡上有相似之處，但它們的神經解剖結構卻截然不同。Aerts團隊現在應用深度學習模型來評估這些差異和相似性是否反映在共享或分化的調控密碼中。Aerts實驗室的博士後研究員Nikolai Hecker和博士生Niklas Kempynck開發並實施了機器學習模型，以描述和比較人類、老鼠和雞隻大腦中的不同細胞型別，涵蓋了大約3.2億年的進化歷程。但在此之前，他們首先需要更好地理解雞隻大腦的細胞型別組成，因此他們建立了一個全面的轉錄組圖譜。

Hecker表示：「我們的研究展示瞭如何利用深度學習來基於調控密碼描述和比較不同細胞型別。我們可以用這些密碼來比較不同物種的基因組，識別哪些調控密碼在進化中被保留，並深入瞭解細胞型別的進化過程。」研究團隊發現，雖然某些調控細胞型別密碼在鳥類與哺乳動物之間高度保守，但其他密碼則發生了不同的進化。值得注意的是，某些鳥類神經元的調控密碼與哺乳動物新皮質深層神經元的調控密碼相似。

Kempynck補充道：「直接觀察調控密碼有一個顯著的優勢，它可以告訴我們哪些調控原則在不同物種間是共享的，即使DNA序列本身已經改變。」這些調控資訊不僅對理解進化有用。在之前的研究中，Aerts團隊已經證實了黑色素瘤（皮膚癌）細胞狀態的調控密碼在哺乳動物與斑馬魚之間是保守的。他們還識別了黑色素瘤患者基因組中的變異。當前關於大腦細胞型別的研究中提出的模型，為研究基因組變異及其與精神或認知特徵和疾病的關聯提供了有用的工具。

Aerts表示：「最終，學習基因組調控密碼的模型具有篩查基因組並研究任何物種中特定細胞型別或細胞狀態存在與否的潛力。這將成為研究和更好理解疾病的強大工具。」Aerts團隊已經在兩個方面應用他們的模型：「我們與動物園科學與野生動物救援中心合作，正在將我們的進化建模擴充套件到更多動物大腦：從不同型別的魚類到鹿、刺蝟和水豚。同時，我們也在探索這些AI模型如何幫助解開與帕金森病相關的基因變異。」