從解剖學角度來看，大腦可以被細分為多個特定區域，包括新皮層(neocortex)。大腦皮層是高級認知的中樞，是人類進化過程中大腦中擴張和多樣化最多的區域。早期的大腦分區和皮層分區是由形態發生梯度(morphogenetic gradient)引導建立的，但隨著發育進程的展開，這些早期模式如何產生更加精細更加離散的空間差異目前還不是很清楚。大腦皮層的發育過程已被研究了一個多世紀，歷史上科學家通過每次只觀察一種細胞類型，研究少量的基因，隨后逐步拼接整個發育事件來進行探索。但我們必須意識到，大腦在同一時間并不是只產生一種細胞類型，而是數百種細胞類型一起發生發展，就像交響樂一樣美妙且復雜。隨著單細胞和空間轉錄組學的出現和發展，結合大數據分析，我們已經能夠去探究神經發育這支交響樂中所隱藏的規律。
2021年10月6日，來自美國加州大學的Arnold R. Kriegstein團隊在Nature雜志上在線發表了題為An atlas of cortical arealization identifies dynamic molecular signatures的研究論文。該研究利用單細胞測序研究了神經發育和早期膠質生成階段10個主要的腦區和6個新皮層區域，揭示了不同皮層區域不同細胞縱向發育的分子圖譜。
繪制人類大腦發育圖譜為了描繪大腦發育過程中不同腦區及皮質區域的細胞多樣性，作者收集了妊娠中期(懷孕3-6個月，神經發育高峰期)的大腦組織，隨后進行為分割(大腦細分后的區域稱為“regions”，皮層細分后的區域稱為“areas”)和單細胞轉錄測序(圖1)。作者從13個個體中拿到了10個腦區(主要是前腦、中腦和后腦)樣本及6個新皮層區域樣本(prefrontal cortex(PFC), motor, somatosensory, parietal, temporal 和primary visual(V1)皮層)，最終獲得了698,820個高質量的單細胞數據。通過UMPA(uniform manifold approximation and projection，新的降維技術，用于數據可視化和探索)分析，作者發現了預期的細胞類群(包括excitatory neurons，intermediate progenitor cells(IPCs)，radial glia等)。數據表明，在整個大腦中，細胞類型是產生區域分化隔離的主要因素。區域特定基因分析顯示，一些區域特異性基因存在于同一區域中的多個細胞類型中，說明某些區域性表達基因特征在細胞類型中具有高度滲透性。
圖1. 測序樣本收集示意圖
新皮質中的細胞類型已有研究表明新皮質包括幾十個專門從事認知過程的功能區。V1和PFC中的神經元在出生后就完全不同，而其他的細胞類型并沒有展示出明顯的區域特異性差異。為了進一步擴展已有的研究，作者對來自于特定皮層區域的單細胞進行測序分析，獲得了387,141個高質量的單細胞數據。通過分析，作者發現了預期的細胞類型，包括Cajal-Retzius neurons, dividing cells, excitatory neurons等。隨后，按細胞類型進行分層聚類得到了138個新皮質細胞群，其中104個細胞群是由來自多個皮層區域的細胞組成的。
動態區域性基因特征為了探究新皮質發育過程中的細胞區域性差異，作者在皮質不同區域的興奮性譜系中(radial glial (RG), IPCs和excitatory neurons)尋找每個細胞類型中的差異表達基因，同時通過檢測已知的區域特異性基因的表達來評估皮質區域劃分的可靠性。作者構建了星座圖來探索不同皮質區域細胞類型之間的關系：RG節點主要在同細胞類型之間相互連接;IPC與興奮神經元之間存在相互連接;PFC 和 V1 細胞類型節點之間沒有連接，說明這兩個基因表達模式之間相互排斥。在每一組區域標記基因中，作者鑒定了編碼轉錄因子的基因，這些轉錄因子在特定區域的細胞中大量富集。其中包括一些在區域化過程中功能已知的轉錄因子，例如NR2F1和BCL11A，這兩個基因都與神經發育疾病相關。作者還發現一些與皮層區域化不相關的轉錄因子：在V1中，包括NF1A, NF1B和NF1X，它們是大腦發育的重要調節因子，與大頭癥和認知障礙有關;ZBTB18, 大腦擴張驅動因子，與神經元分化和皮層遷移有關;在PFC中，包括HMGB2和HMGB3，它們在發育的不同階段在神經干細胞中差異性表達，是神經分化的關鍵性調節因子，但它們在皮層區域化的過程中的功能未被研究和報道。
原位雜交驗證候選標志物上述單細胞數據揭示了人類大腦發育過程中皮層的6個不同區域內細胞類型的多樣性和轉錄譜。接下來，作者選擇了興奮神經元簇的候選標記基因進行驗證，采用單分子熒光原位雜交(single-molecule fluorescent in situ hybridization, (smFISH))量化了20個樣本中(來自4個皮質區域)31個RNA轉錄本的表達情況(圖2)。與之前的報道一致，神經基因SATB2和BCL11B呈現區域動態性表達：他們在frontal區域共表達，但在occipital區域相互排斥。通過分析所有的區域，作者找到了新的亞細胞群標志物候選基因：NEFL, SERPINI1和NR4A1。這三個基因在PFC, somatosensory, temporal和V1皮層細胞中的表達量基本相等，但是它們相對的空間位置發生巨大改變：NEFL, SERPINI1和NR4A1在PFC中共表達，但在其他區域中相互排斥;在somatosensory皮層中，這些標記基因主要表達在上層分子層中。
圖2. 自動化空間RNA轉錄檢測流程
綜上所述，該研究對新皮質區域不同細胞類型的基因表達特征提供了細致的理解。作者發現：(1) 在主要的大腦結構中，區域特征在不同的細胞類型中非常普遍;(2) 新皮質中的區域特征非常特殊，受限于單個細胞類型;(3) 除了細胞類型特征外，細胞的發育階段(即妊娠周)是基因表達特征組合的有力決定因素。這些發現表明，區域特異性基因表達特征的動態變化速度非常快，而且是細胞類型特異性的(圖3)，這與之前的理論似乎不太一致，在以前認知中，基因表達模式通常被認為是一旦建立就會持續存在。通過繪制大腦發育過程中的基因表達圖譜，研究人員對大腦皮層是如何形成有了更好的理解，有助于探索大腦皮層是如何在神經發育疾病中受到影響的。
圖3. 發育過程中皮層區域化模式圖
原文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03910-8
轉自網絡如有侵權請聯系刪除 ！
