脑是人类最复杂和精密的器官。解剖学上，脑可以被划分为不同的区域，包括端脑（以新皮层 Cor 为主），间脑（Dien），中脑（Mid）以及小脑（Cere）等。不同脑区具有特殊的输入输出连接，执行各种重要的功能。脑细胞类型的变化特征和空间分布需要更全面、系统的研究，人脑发育特别是区域特化在很大程度上还存在未知性。
2023 年 12 月，中国科学院动物研究所焦建伟团队、广州国家实验室董骥团队、北京大学杜鹏团队和北京大学靳蕾团队在 Cell 发表题为 Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain 的文章。通过单细胞（scRNA-seq）和时空转录组（scStereo-seq）研究，首次解析了迄今为止跨时间点最广（GW6-GW23）、面积最大（最大 4 cm x 3 cm）的人脑多区域时空发育转录组图谱，为解码人脑发育及区域特化研究提供了全面的见解。（安诺优达作为 STOmics 承接大芯片项目经验的科技服务公司，为本研究合作作者，承担 scRNA-seq、Stereo-seq 实验、测序、基础分析等服务）。
直击研究亮点
跨时间点最广：连续时间（GW6-GW23）的单细胞和高分辨率的空间组学研究。
面积最大：依据组织大小定制最大 3 cm * 4 cm 芯片揭示区域异质性。
首次发现：鉴定中脑放射状胶质细胞（Mid RG）的 5 个新亚型并深入解析其空间分布；发现间脑神经元以及神经胶质细胞亚型的背腹侧分布差异。
1 人脑单细胞时空转录组图谱
为深入研究发育中人脑神经元的区域特征，研究者对 33 个人类胚胎不同发育时间点（GW6- GW23）、不同脑区进行单细胞转录组研究，鉴定出了免疫细胞、神经前体细胞、谷氨酸能神经元、GABA 能神经元、少突胶质细胞前体细胞、星形胶质细胞前体细胞、中胚层来源细胞等 19 个主要亚型，绘制了人脑发育中的动态变化图谱。
空间组织对于理解不同类型脑细胞的生理功能以及信号相互作用至关重要。对（GW6、GW8、GW10、GW12 和 GW16）人类胚胎进行时空转录组 Stereo-seq 研究，并采用 bin50 作为细胞分析脑组织切片基质信息。通过对各主要细胞类型在大脑发育过程中的空间分布进行可视化，从而揭示出人类大脑各部位各细胞类型的有序分布规律。
2 神经前体细胞空间多样性和关键转录因子
为进一步了解神经前体细胞（NPC）的独特功能，将 NPC 重新聚为 5 个亚型并可视化不同时期不同脑区的时空分布特点。在 GW8 所有脑区、GW10-16 部分脑区，表现出明显的脑室区/室下区（VZ/SVZ）分布，同时揭示了不同脑区不同 NPC 亚型的分子多样性。其中放射状胶质细胞（RG）最先出现，且在该阶段表现出明显的区域异质性；TFAP2C 的缺失会影响人 Cor RG 的形成，其特异性在人大脑皮层 RG 中表达并成为决定大脑 RG 细胞的命运的关键转录因子。
接着，将各脑区的 RG 细胞进一步分群并观察其空间分布特点。Cor RG 可以分为 oRG 和 vRG，oRG 在额叶（FL）的比例明显高于枕叶（OL）。将 Dien RG 分为 Dien RG-1 和 Dien RG-2，Dien RG-1 主要分布在 Dien 腹侧，而 Dien RG-2 主要分布在 Dien 背侧。除了 Mid RG-4 已有研究报道，其他 5 个亚型均为首次鉴定到，且在 GW8 时便显示出独特的空间分布特点，它们可能在 Mid 中发展成为不同类型的神经元。
3 不同区域神经元亚群的时空分布特点
将谷氨酸能神经元和 GABA 能神经元分别进一步分为 17 个和 20 个亚群，这些神经元亚群表现出明显的脑区域异质性和分子多样性。Dien 谷氨酸能神经元和 GABA 能神经元亚型存在着显著的背腹侧分布差异。Cor 兴奋性神经元可以进一步细分为迁移神经元，上层神经元以及深层神经元的多个亚型，本研究观察了它们在更广时间窗（GW8-GW16）的发育过程中的时空变化。
4 异质性的 RG 有助于神经元的区域特化
研究者计算并重建了每个区域特定神经元亚群的时空发育轨迹。Cor RG 分化为 IPC 和 Prec2，并最终发展为谷氨酸能神经元。Dien RG-1 趋向于向 LHX6+ GABA 能神经元发育，而 Dien RG-2 趋向于向谷氨酸能神经元发展。Dien RG-1 和 LHX6+ GABA 能神经元主要位于 Dien 腹侧，而 Dien RG-2 和 Dien 谷氨酸能神经元主要位于 Dien 背侧。这将有助于理解异质性 RG 细胞如何对神经元的区域特化做出贡献。
5 胶质细胞和神经元相互作用促进神经元区域特化
研究者进一步将 GW6-GW23 不同脑区的少突胶质细胞前体细胞（OPC）和星形胶质细胞前体细胞（APC）进行亚群细分，通过比较分析发现它们的区域异质性相对较小，但是，进一步观察发现这些亚型存在显著的空间分布偏好。Dien 中 OPC 亚型与 GABA 能神经元之间的细胞通讯多发生在 Dien 腹侧，而这些相互作用可能促进了 GABA 能神经元的发育和成熟。而这些空间偏好性的分布有助于促进神经元区域特化。
研究结论及意义
综上所述，研究者展示并鉴定了发育早期具有特定空间分布特点的 RG 细胞亚型，研究表明这些 RG 细胞有助于随后不同脑区神经元的特化，同时发现胶质细胞和神经元互作也会促进神经元的区域特化。为人脑发育、神经元的区域特化和相关疾病的研究提供了宝贵资源。
中国科学院动物研究所焦建伟研究员、广州国家实验室董骥研究员、北京大学杜鹏研究员和北京大学靳蕾副研究员为本文共同通讯作者。中国科学院动物研究所博士后李妍昕、博士后李忠秋、广州国家实验室助理研究员王长亮、北京大学生命科学学院毕业博士生杨敏为本文的共同第一作者。王雁玲研究团队参与了项目协作。
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