单细胞分辨率下人类大脑皮层空间转录组图谱的绘制及其在神经疾病研究中的意义

研究人员通过单细胞核RNA测序(snRNA-seq)和亚细胞级空间转录组技术(Stereo-seq)，构建了涵盖14个皮层区域的单细胞空间转录组图谱(1,121,772个核转录组+1,888,306个空间细胞)，揭示了谷氨酸能神经元(Glu)的精确层状分布模式、生长抑素神经元(SST)的两种转录类别，并解析了皮层功能网络与细胞类型的关联，为神经疾病机制研究提供了重要参考。

　　

人类大脑作为自然界最复杂的器官之一，其皮层结构承载着高级认知功能。尽管前人研究已初步阐明皮层细胞的分子特征，但多皮层区域神经细胞的精确空间组织模式仍不清楚。特别是在神经退行性疾病和精神分裂症等疾病中，特定神经元亚群的异常往往与临床症状密切相关。这一领域存在三大关键问题：1) 缺乏覆盖全皮层的高分辨率细胞图谱；2) 神经元亚型与皮层功能的对应关系不明；3) 层状结构(如L4和L6b)的跨区域差异尚未系统解析。

为解决这些问题，Songren Wei、Meng Luo等研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。研究人员整合单细胞核RNA测序(snRNA-seq)和新型空间转录组技术(Stereo-seq，分辨率达500 nm)，构建了迄今最全面的人类大脑皮层空间转录组图谱。研究涉及5名健康成年捐赠者的42个样本，测序数据量达1,121,772个细胞核，空间分析覆盖44张切片。关键技术包括：1) 10X Genomics单细胞测序与BICCN数据库整合；2) 深度学习框架DeepST进行空间域识别；3) 功能核磁共振(fMRI)数据与细胞图谱关联分析。

研究结果主要包括：

转录组细胞分类

通过整合数据集定义了22个细胞亚类(153个亚型)，包括9个谷氨酸能神经元(Glu)、7个GABA能神经元(GABA)和6个非神经元亚类。其中LINC00507⁺神经元在运动皮层富集，而RORB⁺细胞在视觉皮层(VI)占比最高。

层状结构解析

空间转录组揭示了7个经典皮层层的分子特征：CXCL14标记L1，HPCAL1标记L2，NEFM标记L3。特别在视觉皮层，L4可进一步细分为三个亚层(L4a-L4c)，分别由EGR1、NEFH和CD74标记。

区域特异性发现

• 前扣带回皮层(ACC)的ET神经元(含Von Economo神经元)高表达疼痛相关基因(GNA15、LYPD1)，与fMRI疼痛功能显著相关

• SST神经元分为浅层(PDZD1⁺)和深层(TRHDE⁺)家族，分别富集cAMP和G蛋白通路

• 视觉皮层L4厚度与RORB⁺神经元密度呈正相关

细胞互作网络

空间分析发现：

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  少突胶质前体细胞(OPC)通过NRG3-ERBB4与神经元互作

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  小胶质细胞(MICRO)的互作多样性高于星形胶质细胞(AST)

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  ACC和VI区域展现出独特的层间互作模式

稳定亚板层(L6b)

该研究首次证实人类皮层L6b是永久性结构，表达CTGF(CCN2)等标记基因，其神经元可能参与深层环路调控。

这项研究的意义在于：1) 建立了首个跨14个皮层区域的高精度空间转录组参考图谱；2) 揭示了神经元亚型与认知功能的分子关联，特别是疼痛感知与ET神经元的关系；3) 为神经精神疾病的靶向治疗提供了细胞基础，如L4异常与精神分裂症、L6b与癫痫的潜在联系。该成果不仅深化了对人类智能细胞基础的理解，其建立的多组学整合方法也为未来脑科学研究提供了范式。