空间单细胞图谱揭示屏状核-岛叶区神经元身份与兴奋性的关键调控因子NR4A2

本研究通过单细胞RNA测序(scRNAseq)和空间转录组(MERFISH)技术，构建了小鼠屏状核-岛叶区(claustro-insular region)的高分辨率细胞图谱，揭示了NR4A2转录因子在调控屏状核(CLA)神经元分子身份和电生理特性中的核心作用。研究发现Nr4a2单倍剂量不足会导致CLA神经元转录组重编程、兴奋性降低，并激活BK通道依赖的调控网络，为理解该脑区在神经发育障碍中的作用提供了新视角。

大脑中神秘的屏状核(claustrum, CLA)因其与几乎所有皮层区域的广泛连接而被称作"意识开关"，但其细胞组成和功能机制长期存在争议。这个进化保守的脑区与相邻的岛叶皮层共同构成屏状核-岛叶复合体(claustro-insular region)，参与注意力、认知灵活性和情感处理等高级功能。然而，该区域的细胞异质性、空间组织模式以及分子调控机制始终缺乏系统解析，严重阻碍了对其功能的深入理解。更关键的是，神经精神疾病风险基因NR4A2/Nr4a2（核受体亚家族4组A成员2）在CLA神经元中持续高表达，但其在该脑区发育和功能中的作用仍是未解之谜。

为破解这些难题，由Leon Fodoulian、Madlaina Boillat和Marie Moulinier等组成的研究团队，在Alan Carleton和Ivan Rodriguez教授指导下，采用前沿的单细胞多组学技术，首次绘制了屏状核-岛叶区的空间单细胞图谱。这项发表在《Nature Communications》的研究，不仅揭示了该脑区前所未有的细胞多样性，更发现了NR4A2通过调控转录级联决定神经元分子身份和电生理特性的全新机制，为理解神经发育障碍的发病机理提供了重要线索。

研究团队主要运用了四项关键技术：1)高通量单细胞RNA测序(scRNAseq)对67,226个小鼠屏状核-岛叶区细胞进行转录组分析；2)多重误差鲁棒荧光原位杂交(MERFISH)空间转录组技术精确定位300个基因的表达模式；3)单分子荧光原位杂交(smFISH)验证关键标记基因的空间分布；4)全细胞膜片钳技术记录Nr4a2单倍剂量不足(Nr4a2^del/wt)模型中CLA神经元的电生理特性改变。

"转录组解析屏状核-岛叶区细胞类型"部分显示，通过整合scRNAseq和MERFISH数据，研究团队鉴定出两类典型的CLA投射神经元(CLA1和CLA2)，以及三组具有中间转录特征的"壳层"(shell)投射神经元。这些细胞亚型通过差异表达Nr4a2、Gnb4、Syt17等标记基因被清晰区分，其中CLA2和shell3亚型均表现出即早基因(immediate early genes)特征，提示其可能对应激活状态神经元。空间图谱分析颠覆了传统解剖学边界认知，发现CLA特征神经元实际上广泛分布于屏状核、背侧内嗅核(EP)和皮层6a层(L6a)区域。

"屏状核-岛叶区图谱构建"章节详细展示了基于smFISH的数据驱动图谱。通过标记Nr4a2、Slc17a6、Ccn2等关键基因，研究团队建立了考虑细胞类型重叠的柔性边界模型。密度分布图显示CLA与shell神经元存在显著空间重叠，而L6b(Ccn2⁺)和L6a(Rprm⁺)神经元则呈现独特的分布模式。这种基于细胞身份而非解剖学边界的新范式，为理解该脑区的复杂组织提供了全新框架。

"Nr4a2单倍剂量不足改变CLA投射神经元转录组"部分揭示了NR4A2的核心调控作用。在Nr4a2^del/wt小鼠中，CLA神经元出现显著转录重编程：下调Cdh13、Rxfp1等CLA特征基因，同时上调Ntm、Ryr2等shell特征基因。值得注意的是，这种"身份漂移"具有细胞类型特异性，仅发生在高表达Nr4a2的CLA神经元中，而低表达Nr4a2的shell神经元几乎不受影响。基因调控网络分析表明，NR4A2通过激活下游转录因子NR2F2和CUX1的级联反应来维持CLA神经元身份。

"Nr4a2单倍剂量不足损害CLA神经元放电"章节阐明了转录改变的功能后果。电生理记录显示，Nr4a2^del/wt的CLA神经元放电频率显著降低，伴随动作电位后超极化(AHP)幅度增加。机制研究发现，上调的ryanodine受体(RyR2)通过增强钙诱导钙释放(CICR)机制，过度激活大电导钙激活钾通道(BK)，最终导致神经元兴奋性下降。这种电生理缺陷可被钙通道阻滞剂或iberiotoxin(BK特异性抑制剂)完全逆转，提示NR4A2-RyR2-BK通路在调控CLA神经元功能中的核心地位。

这项研究通过构建首个屏状核-岛叶区空间单细胞图谱，解决了该领域长期存在的细胞分类争议。研究发现NR4A2剂量敏感性调控着神经元分子身份和电生理特性的双重决定，为理解NR4A2相关神经发育障碍(如精神分裂症、智力障碍)提供了潜在解释机制。特别值得注意的是，CLA神经元通过BK通道依赖的独特机制调控兴奋性，这与传统皮层神经元存在本质差异，可能解释该脑区在注意力、认知灵活性等高级功能中的特殊作用。该研究建立的细胞类型特异性图谱和遗传操作体系，为后续功能研究奠定了坚实基础，也为开发靶向CLA回路的治疗策略提供了新思路。