《Science》继鼠脑图谱后再上台阶，一系列人类大脑的细胞图谱成果

在两个并行的项目中，卡罗林斯卡研究所的研究人员参与了迄今为止最全面的人类脑细胞图谱的创建。这两项研究发表在《Science》杂志上，为不同的脑部疾病提供了线索，并为未来的医学进步带来了希望，比如新的抗癌药物。

　　

同时发表在《科学》《科学进展》和《科学·转化医学》杂志上的21项研究，公布并详细解释了迄今为止最全面的人类脑细胞图谱。这些研究对3000多种人类脑细胞类型进行了特征分析，阐明了某些人类脑细胞与其它灵长类动物的区别。与之前发表的论文相比，新研究和数据揭示了人脑许多区域的神经系统细胞构成以及人脑的独特之处。在《科学进展》的8篇论文中，研究人员探索了人脑中快速放电的中间神经元如何保持同步频率。《科学·转化医学》上的一项研究将重点放在了生命早期的炎症上，这是几种神经疾病的危险因素。分析表明，炎症主要与两种类型的抑制性神经元的变化有关，即浦肯野神经元和高尔基体神经元。

整个研究工作是美国国立卫生研究院“推进创新神经技术脑研究计划”（BRAIN）“大脑细胞普查网络项目”（BICCN）的一部分，该计划于2017年启动。此次发表的论文是数百名科学家利用最先进的分子生物学技术进行的一系列合作研究的成果。

了解什么细胞构成健康的大脑，不同类型的细胞位于何处，以及大脑如何从胚胎阶段发育，对于更好地理解疾病是如何产生的能力至关重要。此前已有小鼠大脑的细胞图谱，但还没有人脑细胞图谱。

成年人的大脑被分成数百个空间域，每个空间域由数十或数百个不同的神经元、胶质和其他细胞类型组成。这种复杂的细胞排列最初是在发育的前三个月建立起来的，然而这样的早期胚胎难以获得，阻碍了更详细的分子分析。解剖整个大脑在头三个月发生的空间、时间和转录变化，有望揭示人类大脑的基本蓝图。为了揭示大脑早期发育过程中的精确序列，作者使用单细胞RNA测序和空间转录组学技术，揭示了人类大脑在怀孕后5至14周(pcw)的细胞状态和轨迹。他们确定了12个主要类别，它们被组织为大约600种不同的细胞状态，它们以5pcw（受孕周）的速度映射到精确的空间解剖域。论文描述了人类前脑和中脑的详细分化轨迹，并发现大量区域特异性胶质母细胞成熟为不同的前星形胶质细胞和前少突胶质细胞前体细胞。研究揭示了在人类大脑发育的前三个月细胞类型如何建立。

实验概览

为了全面绘制怀孕前三个月的脑细胞类型和基因表达轨迹，作者收集了26个大脑样本，时间跨度为受孕5至14周(pcw)，并将其分成111个不同的生物样本。每个样本都进行了单细胞RNA测序，结果收集了1,665,937个高质量的单细胞转录组。这些数据通过使用高复用RNA荧光原位杂交(FISH)和空间转录组学在受孕5周（pcw）时进行的空间转录组学分析得到补充。研究人员鉴定了616个集群，并对其进行了元数据注释，包括类和亚类、空间位置、胚胎年龄分布和特定的基因表达标记。

图片来自作者论文，由论文作者提供

实验结果

数据集的精确分辨率使研究人员能够描述大脑发育的基本过程，并描绘出几个大脑区域的分化轨迹。新皮层中兴奋性神经元谱系的发育揭示了三个不同的正在进行的分子程序:从放射状胶质细胞到神经元的分化、细胞周期和成熟。中间祖细胞(IPCs)中祖细胞和分化因子之间存在微妙的平衡，G1细胞周期后可见神经源性转录因子的诱导。研究结果支持在较后期的标本中保守的渐进转录成熟。许多基因在晚期放射状胶质细胞和胶质母细胞中被诱导，组成了一个程序，驱动祖细胞向神经发生和胶质发生。在前脑γ-氨基丁酸介导的GABA能神经元谱系中，他们发现了表达CRABP的细胞从内侧神经节隆起迁移到丘脑的证据，预计这将在成人中产生丘脑PVALB+神经元。在检查腹侧中脑发育时，他们发现了一组不同的祖细胞已经在受孕8周时出现，定义了广泛的TH类身份，尽管成人TH亚型身份必须在受孕14周后出现。作者聚焦于胶质细胞的发育，发现了大量的区域特异性胶质母细胞，其中大多数显示出成熟为星形胶质细胞的证据。这为成人区域特异性星形胶质细胞类型的描述提供了一种合理的机制。他们进一步鉴定了特异于前脑、中脑和后脑的少突胶质前体细胞(OPCs)，它们表达了大量功能保守的基因。

实验结论

虽然以前的研究已经探索了大脑发育过程中的特定区域，但这是已知的第一次对关键的头三个月的整个人类大脑进行全面研究。作者发现，尽管神经元是最多样化的，但前星形胶质细胞和OPCs都是区域不同的，它们的基因表达表明了区域和细胞类型特异性的支持功能。这些发现强调了早期模式事件的重要性，并为解释许多显示区域特异性发生模式或严重程度的脑部疾病以及确定影响特定脑细胞群的人类疾病的治疗靶点提供了丰富的资源。

大脑细胞“普查”

瑞典卡罗林斯卡学院医学生物化学和生物物理系的分子系统生物学教授Sten Linnarsson说:“我们已经创建了成人大脑和怀孕头几个月大脑发育的最详细的细胞图谱。你可以说，我们进行了某种脑细胞普查。”

第一个项目由Linnarsson小组的Kimberly Siletti领导。该研究是与美国西雅图艾伦脑科学研究所的Ed Lein密切合作进行的，作为国际人类细胞图谱计划的一部分，基于三个捐赠的成人大脑。研究人员利用RNA测序技术分析了300多万个单个细胞核，该技术揭示了每个细胞的遗传身份。总而言之，研究人员研究了100多个大脑区域的细胞，发现了3000多种细胞类型，其中约80%是神经元，其余是不同种类的神经胶质细胞。

Siletti教授说:“很多研究都集中在大脑皮层，但我们发现脑干中神经元的多样性最大。我们认为其中一些细胞控制着先天行为，比如疼痛反射、恐惧、攻击和性行为。”

医学进步的基础

研究人员还发现，这些细胞的身份反映了它们在胎儿时期最初在大脑中发育的位置，这与第二个项目有关。来自Sten Linnarsson小组的Emelie Braun和Miri Danan-Gotthold与瑞典人类发育细胞图谱联盟合作，分析了来自27个不同发育阶段(受精5至14周)的胚胎的100多万个单个细胞簇。这项研究使研究人员能够展示整个大脑是如何随着时间的推移而发展和组织的。

尽管这些结果只是分子生物学基础研究的例子，但由此产生的新知识也可以为医学进步奠定基础。Linnarsson教授的研究小组用类似的方法检查了不同类型的脑肿瘤，其中一种是胶质母细胞瘤——一种预后不良的癌症。

他解释说:“肿瘤细胞类似于未成熟的干细胞，看起来它们正试图形成一个大脑，但以一种完全混乱的方式。我们观察到的是，这些癌细胞激活了数百种特定于它们的基因，深入研究是否有可能找到新的治疗靶点，这可能很有趣。”

免费提供大脑图谱

大脑图谱将免费提供给世界各地的研究人员，这样他们就可以将他们正在研究的脑部疾病与正常发育的大脑进行比较。

这些研究是同时发表在科学杂志《科学》(Science)上的一系列文章的一部分。这项关于成人大脑的研究得到了美国国立卫生研究院的资助，而胚胎研究则由克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会以及埃林-佩尔松基金会资助。

Comprehensive cell atlas of the first-trimester developing human brain