今日《细胞》：理解人脑的重大突破！中国科学家解析迄今最全面的人脑时空发育图谱及规律

▎药明康德内容团队编辑

作为人类最复杂的器官，脑在解剖学上被划分为端脑（主要由新皮层构成）、间脑、中脑以及小脑等不同的区域。另一方面，在人脑发育过程中，内在基因程序产生了复杂的脑细胞类型。从不同类型的神经元到神经胶质细胞，它们在不同脑区中有着各异的分布模式，为各脑区复杂而重要的功能奠定了基础。

在人类脑区逐渐特化的发育过程中，不同类型的脑细胞是如何变化的？它们有着怎样的时间与空间特征？这些问题仍需全面、系统的研究。近几年，多项单细胞转录组学研究探索了人脑特定区域以及发育早期的多个区域，但目前还缺乏对脑发育后期连续时间点的高分辨率空间研究。

今日，在《细胞》杂志上，中国科学院动物研究所焦建伟研究组、广州国家实验室董骥研究组、北京大学杜鹏研究组和北京大学靳蕾研究组合作在线发表研究论文，首次解析了迄今为止跨时间点最广、面积最大的人脑多区域时空发育转录组图谱。该研究揭示了有助于各脑区神经元特化的关键脑细胞，对于理解人脑发育和神经元区域特化具有重要意义。

为了呈现人脑发育过程中脑细胞特征随空间与时间的转变，在本研究工作中，作者首先借助单细胞测序技术（scRNA-seq）绘制了来自人类胚胎不同脑区（包括新皮层、间脑、中脑和小脑），从孕6周到孕23周之间多个发育时间点的单细胞转录组图谱。

根据经典的标记基因，作者鉴定出神经外胚层来源的主要细胞类型，包括神经前体细胞、谷氨酸能神经元、GABA能神经元、少突胶质细胞前体细胞、星形胶质细胞前体细胞；以及中胚层来源的细胞类型（如内皮细胞，周皮细胞和小胶质细胞）等。同时，作者使用时空组学技术（Stereo-seq），对人脑多个发育时间点进行空间转录组测序。通过对主要细胞类型空间分布的可视化，本文揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式。

▲人脑发育时空转录组图谱构建（图片来源：参考资料[1]）

1. 神经前体细胞

在神经外胚层来源的主要细胞类型中，研究团队首先对神经前体细胞（NPC）进行了进一步的分析。为了理解其分子异质性，研究人员将NPC重新分为五个亚类。在五个NPC亚型中，放射状胶质细胞（RG）最先出现，且在该阶段已表现出明显的区域异质性，其中转录因子TFAP2C特异性在人大脑皮层RG中表达并能够决定大脑RG细胞的命运。

接着，研究人员将各脑区的RG细胞进一步分群并观察空间分布特点。空间可视化不仅展示了RG亚型的空间分布，而且为后期神经元区域特化提供了关键线索。对各脑区RG细胞的具体发现包括：

• 新皮层RG分为oRG和vRG，空间可视化后发现oRG在额叶（FL）的比例明显高于枕叶 (OL); 
  

• 间脑RG被分为RG-1和RG-2两类，其中前者高表达DLX1、DLX2，主要分布在间脑腹侧；而后者高表达TPBG，主要分布在间脑背侧；

• 中脑RG鉴定出的6个亚型中，有5个亚型均为本研究首次鉴定且均具有独特的空间分布特点；

• 小脑RG分为4个亚型：菱形唇（RL）-RG,脑室区（VZ）-RG,伯明翰胶质细胞（B glia），以及脑干RG。其中VZ-RG（GABA能神经元的起源）在孕8周和孕10周时已经很明显，而RL-RG（兴奋性神经元的来源）在孕10周时开始增加，表明小脑不同起源神经元的发育时间差异。

图片来源：123RF

据论文共同第一作者李妍昕博士介绍，对于单细胞与空间数据的整合，研究团队在以往方法的基础上进行了改进：首先用单细胞数据挑选特异性好的基因，在空间进行验证、筛选出表现好的基因，最后筛选出表现双佳的基因集，这一系列的技术创新使得整合结果更接近现实。此外，实验室的样本制备技术、大样本切片技术以及不同脑区取样以及切片的设计共同推动了该图谱的绘制。