中国科学家发布猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱

2023年7月12日23点， Cell 期刊在线发表了题为“Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex”的研究论文，该研究成果由临港实验室联合中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、华大生命科学研究院、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI Lab、瑞典皇家理工学院、卡罗林斯卡医学院等单位近100人的科研团队合作完成。该研究利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq和snRNA-seq技术，成功绘制了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，并揭示了细胞类型组成和灵长类脑区结构分布之间的关系，为进一步研究神经元之间的连接提供了分子细胞基础。

灵长类大脑神经细胞数量巨大，它们相互连接形成了复杂而又精细的支持高级认知和行为的特定神经环路，这些细胞和环路的异常导致了多种脑疾病。“为什么理解大脑如此困难？”论文通讯作者之一、中国科学院脑智卓越中心研究员（现临港实验室研究员）李澄宇提出这样的问题。要知道，大脑的结构和功能多样性非同一般，不同类型的细胞联接起不同的网络，进而形成高级功能，很多脑疾病的形成，恰是链接“短路”或者“故障”了。至于选择猕猴，用李澄宇的话来说，“足够复杂，又比人脑简单，是极佳的研究对象。”大脑由哪些细胞组成、这些细胞的空间分布有什么规律，是脑科学的基本问题，其重要性类似于化学中的元素周期表，或地理大发现中的世界地图，或人类基因组测序发现的DNA碱基序列。与其他物种相比，灵长类动物具有更高的认知和社会能力，同时具有更大的皮层和更多细胞类型。比如与人类最接近的模式动物-猕猴，其大脑包含超过60亿个细胞，根据它们的分子、形态或生理特征及其空间分布规律，可以将其分为数百种细胞类型，分布在数百个不同的脑区中。解析皮层中细胞亚型的组成及其空间分布规律对于阐明灵长类大脑的组织规律至关重要。“研究的重要程度堪比元素周期表、世界地图、人类基因组测序。”李澄宇打比方说。

    利用Stereo-seq技术采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米的空间转录组数据。同时利用显微切割结合单细胞核转录组测序技术了获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞转录组数据。通过单细胞转录组和空间转录组整合分析，绘制了食蟹猴大脑全皮层的三维单细胞图谱。

    该研究采用了一种新开发的大视野空间转录组Stereo-seq方法，并结合任务需要，自主开发了一种制备猕猴大脑厘米尺度薄切片的方法。结合大规模的单细胞转录组分析，攻关团队获得了食蟹猴全皮层的三维单细胞图谱，为系统分析细胞类型在皮层内的分布特异性和区域特异性，以及分子特征提供了导航 （图1）。

图1. 总体实验设计

团队发现，大量兴奋性神经元、抑制性神经元以及非神经元细胞在大脑皮层中的分布呈现明显的皮层及脑区特异性。更为有趣的是，视觉和躯体感觉系统的细胞类型组成与脑区层级组织之间存在显著的相关性，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型组成，揭示了细胞组成和脑区结构之间的关系（图2）。

图2. 猕猴大脑皮层细胞类型空间分布图谱。(A) 数百种细胞类型在猕猴大脑不同位置（上）以及5张典型代表性切片（下）上的空间分布。（B）多种细胞类型呈现层分布特异性。（C）五种细胞类型及其特征基因的空间分布/表达模式。

此外，攻关团队通过与公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行跨物种比较，发现灵长类特有的分布于第四层的兴奋性神经元细胞。 临港实验室研究员魏武介绍说：“我们发现这些灵长类特异性的细胞类型，细胞高表达与人类疾病相关的重要基因，包括FOXP2, DCC以及EPHA3等。FOXP2是跟人类语言能力，以及突触的形成和可塑性上功能非常重要，说明这些灵长类特异性的细胞类型在灵长类大脑中可能扮演重要的特定功能。”该研究产生了较为完整的世界首套猕猴全脑皮层的单细胞以及空间转录组数据，为后续相关研究提供了重要的数据资源库，现已实现公开共享（https://macaque.digital-brain.cn/spatial-omics）（图3）。

图3. 猕猴大脑皮层细胞类型及基因表达数据库

该科研成果的完成过程中，充分发挥了新型举国体制优势，由多家单位、多个领域的科研团队紧密合作，通过有组织的科研模式，以目标定任务，以任务配资源，联合攻关完成。未来，团队将继续在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续团队攻关，推动中国在这些领域持续产生原创性、引领性成果。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心研究员李澄宇（现任临港实验室研究员），临港实验室研究员魏武，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心研究员刘志勇、青年研究员孙怡迪、副研究员沈志明，华大生命科学研究院研究员徐讯、刘龙奇、黎宇翔，腾讯AI Lab医疗首席科学家姚建华为该论文共同通讯作者。华大生命科学研究院研究员陈奥、副研究员雷莹、研究员廖莎、硕士研究生朱志勇，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心青年研究员孙怡迪、单细胞平台主任李超、博士研究生孟娟、研究员梁智锋、助理研究员袁妮妮、工程师杨浩，临港实验室博士后柏亦沁，中国科学院上海营养与健康所博士研究生刘振，腾讯AI Lab研究员吴子涵为该论文的共同第一作者。该成果获得了科技创新2030-重大项目“脑科学与类脑研究”、上海市级重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”、科技部、基金委、深圳市等项目的支持。