2024年12月，中國科學院動物研究所焦建偉團隊、廣州國家實驗室董吉團隊、北京大學杜鵬團隊、北京大學金磊團隊作了關於細胞（if=64.5）發表題為《時空轉錄組圖譜揭示發育中人腦的區域規範》的文章。通過單細胞（scrna-seq）和時空轉錄組（scstereo-seq）研究，首次分析了跨時間點範圍最廣（GW6-GW23）和面積最大（可達4cm x 3cm）的人腦多區域時空發育的轉錄譜，為解讀人腦發育和區域特化研究提供了新的見解。
Annoroad是這項研究的合著者，並承擔scrna-seq、立體-seq實驗、測序和基礎分析等服務。
01 背景
大腦是人類最複雜、最神秘的器官。 從解剖學上講，大腦可以分為不同的區域，包括端腦（以新皮層為主）、間腦（DIEN）、中腦（midbrain）和小腦（cere）。 不同的大腦區域具有特殊的輸入/輸出連線，可以執行各種重要功能。 人腦“黑匣子”的奧秘，吸引了全世界的目光，被探索！然而，在人腦發展過程中，區域專業化的研究仍面臨諸多困難，腦細胞型別的變化特徵和空間分布特徵有待全面系統地研究，世界腦科學的發展仍面臨重大挑戰。
02 研究亮點
跨時間點最廣泛：連續時間（GW6-GW23）單細胞和高解像度空間組學研究。
面積最大：根據組織大小定製高達3cm*4cm的晶元，揭示區域異質性。
首次發現：鑑定中腦放射狀膠質細胞（MID）的5種新亞型並深入分析其空間分布發現間腦神經元和神經膠質細胞亞型的背腹分布存在差異。
03 測序策略
10x單細胞轉錄組測序和Illumina PE150（GW6、GW8、GW10、GW12、GW14、GW16和GW23）;
華大自主研發的時空組學技術Stereo-Seq&MGI PE100（GW6、GW8、GW10、GW12、GW16）;
轉錄組測序和PE150。
04 研究內容
發育中的人腦的單細胞時空轉錄**圖譜
為了進一步研究發育中人腦神經元的區域特徵，研究人員對33個處於多個發育時間點（GW6-GW23）和不同腦區（cor、dien、mid、cere）的人類胚胎進行了單細胞轉錄組研究，鑑定了免疫細胞、神經前體細胞、谷氨酸能神經元、GABA能神經元、少突膠質細胞前體細胞、星形膠質細胞前體細胞和中胚層**十九種主要亞型， 如細胞，繪製了人腦發育的動態圖。
空間組織對於理解不同型別腦細胞的生理功能以及訊號相互作用至關重要。 開展了人類胚胎（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）的時空轉錄組Stereo-Seq研究，以BIN50作為細胞分析腦組織切片矩陣資訊，通過視覺化主要細胞型別的空間分布，揭示了發育中人腦不同腦區不同細胞型別組成的有序分布格局。
發現發育中人腦中神經前體細胞和關鍵轉錄因子的時空多樣性
為了進一步了解神經前體細胞（NPCs）的獨特功能，將NPCs重新聚類為5個亞型，並視覺化了不同階段不同腦區的空間和時間分布特徵。 在GW8的所有腦區和GW10-16的部分腦區，以下區域（VZ SVZ）分布明顯，揭示了不同腦區不同鼻咽癌亞型的分子多樣性。 放射狀神經膠質細胞（RGs）最先出現，且該階段存在顯著的區域異質性TFAp2c的缺失影響人RG的形成，RG在人大腦皮層RG中特異性表達，成為決定腦RG細胞命運的關鍵轉錄因子。
然後，對各腦區RG細胞進行進一步分組，觀察其空間分布特徵。 Cor RG可分為ORG和VRG，額葉（FL）中ORG的比例明顯高於枕葉（OL）。 Dien RG分為Dien RG-1和Dien RG-2，其中Dien RG-1主要分布在Dien的腹側，而Dien RG-2主要分布在Dien的背側。 除已報道的MID RG-4外，其他5種亞型均在GW8首次被鑑定並表現出獨特的空間分布特徵，它們可能在MID中發育成不同型別的神經元。
發育過程中不同區域神經元亞群的時空分布特徵
谷氨酸能神經元和GABA能神經元分別分為17個和20個亞群，表現出顯著的腦區域異質性和分子多樣性。 Dien 谷氨酸能神經元和 GABA 能神經元亞型之間存在顯著的背腹分布差異。 COR興奮性神經元可進一步細分為遷移神經元、上層神經元和深部神經元的多種亞型，本研究觀察了它們在更寬的時間視窗（GW8-GW16）內發育過程中的時空變化。
異質性RG有助於神經元的區域特化
研究人員計算並重建了每個區域中特定神經元亞群的時空軌跡。 Cor RG 分化為 IPC 和 PreC2，並最終發育成谷氨酸能神經元。 Dien RG-1 傾向於發育成 LHX6+ GABA 能神經元，而 Dien RG-2 傾向於發育為谷氨酸能神經元。 Dien RG-1 和 LHX6+ GABA 能神經元主要位於 Dien 的腹側，而 Dien RG-2 和 Dien 谷氨酸能神經元主要位於 Dien 的背側。 這將有助於更好地理解異質性RG細胞如何促進神經元的區域特化。
神經膠質細胞-神經元相互作用促進神經元區域特化
研究人員進一步將GW6-GW23不同腦區的少突膠質細胞前體細胞（OPCs）和星形膠質細胞前體細胞（APCs）細分為亞群，發現它們的區域異質性相對較小，但進一步觀察發現，這些亞型存在顯著的空間分布偏好。 DIEN中OPC亞型與GABA能神經元之間的細胞通訊主要發生在DIEN的腹側，這些相互作用可能促進GABA能神經元的發育和成熟。 這些空間偏好的分布有助於促進神經元區域的專業化。
05 結語
綜上所述，研究人員在發育早期識別並呈現了具有特定空間分布特徵的RG細胞亞型，揭示了這些RG細胞有助於不同腦區神經元的後續特化，並發現神經膠質細胞與神經元之間的相互作用也促進了神經元的區域特化，這為深入研究人腦發育提供了寶貴的資源。 神經元區域特化和相關疾病。
中國科學院動物研究所焦建偉研究員、廣州國家實驗室董吉研究員、北京大學杜鵬研究員、北京大學金磊副研究員為論文共同通訊作者。 博士後李彥新、廣州國家實驗室博士後李忠秋、北京大學生命科學學院博士生王長亮、楊敏為共同第一作者。 王燕玲的研究團隊參與了該項目的合作。
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