综述：通过单细胞转录组学绘制人脑细胞类型起源与疾病图谱

本综述系统阐述了单细胞转录组学技术如何揭示人脑细胞类型的分子特征与进化特异性，重点解析了基底放射状胶质细胞（bRG）、玫瑰果神经元等人类特有细胞类型在神经发育（如自闭症谱系障碍ASD）和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病AD）中的关键作用，为脑疾病靶点发现提供了突破性视角。

引言

人脑作为生物复杂性的顶峰，由高度多样化的细胞类型组成，这些细胞协同调控认知功能并维持神经稳态。过去二百万年间，人脑经历了快速的进化演变，尤其前额叶皮层（PFC）的显著扩张和特化，支撑了语言、决策和记忆等高级认知能力。单细胞转录组学技术的突破性进展，使得科学家能够在高分辨率水平解析单个细胞的分子特征，揭示细胞异质性、谱系动态和疾病相关状态的 unprecedented 细节。

人脑进化的关键差异不仅在于体积，更在于神经元组织和连接模式。尽管尼安德特人具有更大的颅容量，但智人（Homo sapiens）拥有更多数量的神经元（约163亿）和更复杂的皮层结构。比较研究表明，人类与黑猩猩（74亿神经元）和小鼠（1370万神经元）在保守的神经回路之外，还存在物种特异性回路，这些回路尤其调控语言和高级认知等复杂行为。

神经发育与疾病中的细胞多样性

神经发生与脑细胞可塑性

神经发生（Neurogenesis）是指从神经前体细胞生成新神经元的过程，对构建功能性神经回路至关重要。胚胎期和出生后的神经发生建立了基础的神经网络，而成体神经发生持续存在于海马齿状回和嗅球等特定区域，通过整合新生神经元增强记忆和认知可塑性。环境丰富度和体育锻炼可调节成体海马神经发生，而其功能缺损与抑郁和年龄相关认知衰退密切相关。

人脑新皮层的进化伴随神经干细胞和祖细胞（NSPC）群体的显著变化。相较于小鼠等物种，人类基底祖细胞和基底放射状胶质细胞（bRG）数量显著增加。人类bRG亚型具有分叉的基底突起，在非人灵长类（如猕猴）中不存在，这一进化适应推动了皮层的复杂性。例如，人类bRG细胞相比小鼠对应细胞具有更长的增殖能力，从而能够生成额外的皮层。

人类特化的分子调控还体现在ARHGAP11B基因，该基因与人类皮层扩张相关，其失调与自闭症相关的巨脑畸形有关。此外，人类背外侧前额叶皮层（dlPFC）中的小胶质细胞专注于突触修剪和维护，与其它灵长类中以免疫为主的角色有所不同。人类星形胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPC）也表现出独特的基因表达模式，支持增强的细胞间通讯，这对高级认知至关重要。

单细胞技术揭示的细胞动态

单细胞RNA测序与空间转录组学

脑转录组图谱（如Allen人脑图谱、BrainSpan图谱和PsychENCODE数据集）已成为解析哺乳动物不同脑区和发育阶段基因表达模式的重要工具。单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA测序（snRNA-seq）技术的发展，使得研究人员能够从冷冻的尸检样本中分析细胞多样性，这对利用脑库中的存档临床材料尤为关键。

液滴微流控方法（如Drop-seq和inDrop）显著提高了scRNA-seq的可扩展性和效率。该技术不仅识别了新的细胞类型和亚型（如玫瑰果神经元），还表征了稀有细胞群体，并揭示了进化动态。此外，scRNA-seq能够区分正常与异常细胞，并识别与多种病理状况相关的细胞类型。

整合生物素染色（用于神经元形态学）、patch-seq（连接转录组学与电生理学）和多重抗误差荧光原位杂交（MERFISH，空间转录组学）等方法，正在通过将分子特征与细胞功能和空间背景相联系，增强单细胞数据的可解释性。

多组学整合

跨模态研究对于实现全面的单细胞解剖图谱和细化健康与病理脑组织中的细胞类型分类至关重要。扰动序列（perturb-seq）等技术通过系统引入遗传修饰并在单细胞分辨率捕获其转录组后果，扩展了scRNA-seq的应用范围。

单细胞多组学方法，如转录组和表位测序索引（CITE-seq），将scRNA-seq与寡核苷酸偶联抗体的蛋白标记检测相结合，实现基因表达和表面蛋白水平的同步分析。这些多组学方法具有揭示调控个体脑细胞的分子网络的巨大潜力，支持对神经发育、病理和进化的更深入研究。

单细胞转录组学揭示的新细胞类型

除了充分表征的bRG外，近期scRNA-seq和snRNA-seq研究还识别了以前未被认识的脑细胞群体。玫瑰果神经元（Rosehip neurons）是 layer 1 GABA能中间神经元的独特亚型，具有密集的轴突分枝和受限的中间神经元标志物表达，这些细胞仅存在于人类皮层中，推测通过靶向抑制信号调节局部微环路活动。

人类特异性星形胶质细胞亚型也被界定，其钙信号基因高表达，并且涉及突触支持和调制的转录程序，表明相较于啮齿类星形胶质细胞，它们的功能角色更为扩展。在神经退行性疾病中，反应性混合胶质群体（同时表达星形胶质细胞和OPC标志物）在癫痫和阿尔茨海默病（AD）中被检测到，表明它们参与神经炎症过程和胶质增生。

此外，scRNA-seq分析描绘了具有发育限制性神经保护或促炎转录特征的不同小胶质细胞亚群，突显了它们在免疫监视和神经重塑中的动态和情境依赖性角色。在妊娠中期皮层发育过程中，还识别了具有独特和时间特异性基因表达谱的过渡性兴奋性神经元群体，强调了环路形成的关键窗口。

跨物种图谱与人类特异性调控

单细胞技术的进步使得研究人员能够同时评估数千个单个细胞的基因表达，从而进行详细的跨物种比较。人类、非人灵长类和老鼠初级运动皮层（M1）的整合转录组和表观基因组分析 exemplify 了这一进展，并促成了如Azimuth参考数据集等综合参考数据的创建。

美国国立卫生研究院（NIH）的“通过推进创新神经技术进行大脑研究”（BRAIN）倡议—细胞普查网络（BICCN）联合了多学科实验室，系统识别、表征和绘制人类、非人灵长类和啮齿类动物大脑中的每种细胞类型，涵盖分子、电生理和形态学属性。Siletti等人通过测序来自106个人脑不同区域的300多万个单个细胞的RNA，开启了图谱的基础工作，该分析表征了461个 overarching 脑细胞类型分类，涵盖超过3000种 distinct 亚型。

尽管在表征脑细胞类型方面付出了巨大努力，人类特异性基因的作用及其调控的特定脑细胞尚未完全确定。人类与黑猩猩和大猩猩的比较分析显示，它们具有共享的脑细胞类型，但调控这些细胞的基因存在显著差异。这些变异包括与神经元连接和神经回路形成相关的基因，表明进化过程中认知能力的增强可能源于大脑回路中相似细胞类型的适应或其功能的微调。

神经发育与神经退行性疾病

脑连接性由遗传和环境因素共同塑造，这一过程从胚胎发育开始，持续到青年期。这些过程的 disruption 导致神经发育障碍（NDDs），而神经退行性疾病（NDs）则涉及进行性神经元损失和认知衰退。近期研究越来越关注识别这些疾病中涉及的特定脑细胞类型，并特别关注人脑独特的分子和细胞特征如何 predispose 个体 to 这些疾病。

神经发育障碍

神经发育障碍（NDDs）包括自闭症谱系障碍（ASD）、癫痫性脑病和智力障碍（ID）等多种疾病。这些疾病与早期神经发育过程的 disruption 密切相关，遗传因素在其发病机制中扮演核心角色。

ASD的特征是社会互动和沟通缺陷。scRNA-seq研究表明，ASD相关基因在发育过程中特定细胞类型中富集，尤其是前额叶皮层（PFC）和运动皮层的中胎儿投射神经元。ASD的一个关键病理特征是兴奋/抑制（E/I）回路失衡，兴奋性神经元中基因下调，而胶质细胞中基因上调。对ASD相关变异的整合分析显示，在神经元和非神经元亚型中存在不同的表达模式，强调了发育过程中基因调控的时空特异性。

癫痫性脑病以 recurrent 癫痫发作和认知障碍为特征，也通过单细胞转录组学进行了研究。 across 不同神经元亚型（尤其是篮状细胞和枝形吊灯细胞等中间神经元）的基因表达变化已被识别，表明它们参与癫痫发作的 initiation 和 propagation。在癫痫患者中的额外调查发现了各种神经元亚型中的转录组差异。在颞叶癫痫（TLE）中，snRNA-seq识别了一个混合胶质群体，具有反应性星形胶质细胞和少突胶质前体细胞的特征， contributing to 病理过程。

智力障碍（ID）以认知和适应性行为缺陷为标志，传统上通过神经元形态变化进行研究。然而，近期发现强调了星形胶质细胞在神经发育中的调控作用。ID患者的基因测序显示，许多ID相关基因主要在星形胶质细胞中表达，而非神经元。脆性X综合征（FXS）作为ID和ASD的一种常见遗传形式，通过scRNA-seq进行了研究，揭示了细胞类型特异性转录组改变，这些改变 disrupt 核心功能过程，尤其是在神经元中。

神经退行性疾病

神经退行性疾病（NDs）是影响中枢神经系统（CNS）的进行性疾病， characterized by 神经元的逐渐损失。单细胞转录组学方法在揭示这些疾病的细胞和分子机制方面发挥了重要作用，阐明了细微的基因表达变化如何促进疾病进展。

帕金森病（PD）主要特征是多巴胺能神经元的损失和α-突触核蛋白（a-synuclein）聚集。近期研究将scRNA-seq与黑质纹状体通路的免疫荧光分析相结合，识别了中脑的小胶质细胞异常，表明PD中除了多巴胺能神经元损失外，还有更广泛的细胞参与。尸检转录组分析进一步将PD风险变异与神经元和小胶质细胞特异性基因相联系，突显了神经炎症在疾病进展中的作用。

阿尔茨海默病（AD）作为最常见的神经退行性疾病，以进行性认知衰退为特征，影响多种细胞类型。AD患者的scRNA-seq研究揭示了广泛的转录变化，兴奋性和抑制性神经元中基因下调，而星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞中基因上调。这些发现在研究前额叶和内嗅皮层的研究中一致，突出了胶质细胞在疾病进展中的关键作用。

亨廷顿病（HD）主要影响纹状体的投射神经元。HD尸检脑的转录组分析识别了星形胶质细胞中金属硫蛋白（MT）基因的高表达，表明疾病进展中的神经保护反应。肌萎缩侧索硬化（ALS）在临床表现和遗传基础上均存在异质性。ALS小鼠脑干样本的scRNA-seq研究显示了炎症、应激反应、神经发生和突触组织通路的显著转录组变化。对ALS患者退化运动神经元的进一步研究识别了 disrupted 转录网络，提供了对ALS特异性疾病机制的见解。

结论与未来展望

单细胞转录组学的出现深刻改变了我们对脑细胞多样性的理解，以前所未有的分辨率提供了对神经发育、功能和疾病的分子和细胞机制的洞察。通过解析单个细胞的分子谱，这项技术揭示了遗传调控、细胞行为和神经系统疾病之间的关键联系。这些见解不仅 refine 了脑细胞类型的分类，还揭示了以前未被认识的细胞脆弱性，这些脆弱性可能作为治疗靶点。

展望未来，多组学方法（转录组学、表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学）的整合将是揭示调控脑细胞功能和疾病的复杂网络的关键。空间转录组学将进一步 refine 我们在亚细胞分辨率映射神经回路的能力， bridging 分子身份和解剖连接之间的 gap。同时，计算建模和人工智能（AI）的进步将增强 vast 数据集的整合，实现细胞行为和疾病轨迹的精确预测。

跨物种比较分析将继续在区分进化保守的分子程序和人类特异性适应方面发挥重要作用，阐明支撑高级认知功能的遗传和细胞创新。未来的研究可能会阐明物种特异性基因调控如何影响神经元连接性、突触可塑性和认知。此外，单细胞和单核转录组学将促进纵向研究，实现跨发育阶段、衰老和疾病进展的细胞变化动态跟踪。

为 bridging 分子发现和临床应用之间的 gap，使用高通量CRISPR功能筛选、脑类器官和先进体内模型的实验验证将至关重要。这些方法将能够在特定细胞类型水平精确剖析疾病相关通路，为靶向干预铺平道路。通过利用这些技术进步，神经科学有望揭示脑组织和功能的基本原理。这一进展不仅承诺深化我们对人脑复杂性的理解，还具有开发神经和精神病学变革性疗法的巨大潜力，最终改善患者结局。