科學(xué)家成功繪制出人類大腦細(xì)胞類型的“百科全書”

為了制作一道新菜，廚師必須選擇食材并將其進(jìn)行混合，從而實(shí)現(xiàn)不同的口味和質(zhì)地，同樣地，成千上萬(wàn)個(gè)基因多種不同組合的表達(dá)能夠創(chuàng)造并維持大腦中每種細(xì)胞多種多樣的“味道”，近日，一項(xiàng)刊登在國(guó)際雜志Nature上的研究報(bào)告中，研究者Hodge等人通過(guò)研究報(bào)道了他們對(duì)大腦中單個(gè)細(xì)胞基因表達(dá)的分析，這或能為人類大腦皮層的神經(jīng)元細(xì)胞類型提供一本分子“食譜”，大腦皮層是機(jī)體維持許多認(rèn)知功能的大腦組織的一部分。通過(guò)比較人類和小鼠神經(jīng)元細(xì)胞中基因表達(dá)的模式，研究人員揭示了在進(jìn)化過(guò)程中分子定義細(xì)胞類型的顯著保守特性，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了保守細(xì)胞類型中基因表達(dá)的多種關(guān)鍵物種特異性差異。

對(duì)大腦中神經(jīng)元細(xì)胞類型的分類是神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，其可以追溯到20世紀(jì)早期的解剖學(xué)家，僅在大腦皮層中，數(shù)十億的神經(jīng)元會(huì)被組裝成為6個(gè)片狀層結(jié)構(gòu)，并分布在幾十個(gè)解剖上不同的區(qū)域，考慮到單個(gè)神經(jīng)元之間差異的來(lái)源很多，在一個(gè)共同的分類下對(duì)腦細(xì)胞進(jìn)行系統(tǒng)性地注釋對(duì)于科學(xué)家們而言將是一大挑戰(zhàn)。此前研究中，研究人員通過(guò)對(duì)大腦不同區(qū)域中基因表達(dá)情況的測(cè)定，并利用生物信息學(xué)分析來(lái)識(shí)別主要細(xì)胞群的分子特征，從而深入闡釋了大腦的分子結(jié)構(gòu)，目前這些方法已經(jīng)能被測(cè)定單個(gè)細(xì)胞中基因表達(dá)的技術(shù)所擴(kuò)展，但從人類大腦組織中分離完整的細(xì)胞在技術(shù)上仍然面臨一定的挑戰(zhàn)，許多細(xì)胞在這個(gè)過(guò)程中都丟失了。

研究者Hodge等人通過(guò)測(cè)定去世后或手術(shù)中獲得的人類大腦樣本中分離的單個(gè)細(xì)胞核中不同RNA的轉(zhuǎn)錄水平克服了這個(gè)問(wèn)題，隨后研究人員對(duì)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，其能將單個(gè)收據(jù)點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)單細(xì)胞）分組成為與細(xì)胞所表達(dá)的RNA轉(zhuǎn)錄物類型相對(duì)應(yīng)的簇。研究人員揭示了75個(gè)不同的簇，其中包括24種興奮性神經(jīng)元（大腦中主要的信號(hào)產(chǎn)生細(xì)胞）、45種抑制性神經(jīng)元（抑制神經(jīng)活性）和6種非神經(jīng)元細(xì)胞類型，這些細(xì)胞簇中的許多簇能夠代表此前被定義的細(xì)胞類型，但其它則代表了廣泛神經(jīng)細(xì)胞類型中此前研究人員并不清楚的細(xì)胞簇，根據(jù)細(xì)胞的一般功能（興奮性、抑制性或非神經(jīng)元特性）、解剖位置、主要類群和特殊細(xì)胞類型的基因表達(dá)特性，每種細(xì)胞類型都有四個(gè)部分的名稱。這種系統(tǒng)性的命名法整合了多種信息模式，這些信息模式在歷史上曾被用來(lái)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞類型進(jìn)行分類。

神經(jīng)元所處的大腦皮層（也稱為層狀結(jié)構(gòu)）歷來(lái)被認(rèn)為是神經(jīng)元均一性的基本特征，因此層狀位置的分子標(biāo)記此前常被用來(lái)研究大腦皮層的組織架構(gòu)，而皮質(zhì)層在發(fā)育過(guò)程中是按照順序所生成的，因此每個(gè)神經(jīng)元的“出生日期”都可以預(yù)測(cè)其最終的層狀位置。為了確定細(xì)胞的層狀位置如何預(yù)測(cè)其類型，研究人員記錄了每個(gè)細(xì)胞的起源層信息，并闡明了是否這些信息與基因表達(dá)所定義的細(xì)胞類型分類有關(guān)。

在某些細(xì)胞類型中，特定基因的表達(dá)與精確的層狀位置有關(guān)，然而，與最近研究人員在小鼠機(jī)體中的研究結(jié)果形成鮮明對(duì)比的是，研究者Hodge發(fā)現(xiàn)，在人類機(jī)體中，幾乎所有類型的興奮性神經(jīng)元都位于不止一層的結(jié)構(gòu)中（圖中a），這一發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)完整組織樣本中特定細(xì)胞類型特異性RNA轉(zhuǎn)錄物的熒光標(biāo)記就能夠得以實(shí)現(xiàn)。在人類大腦皮層的發(fā)育過(guò)程中，研究人員進(jìn)行的基因表達(dá)分析支持了這一觀點(diǎn)，該調(diào)查發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞類型的分子特征或許與其“出生日期”并無(wú)關(guān)聯(lián)，而且大多數(shù)分子層狀標(biāo)記物在發(fā)育過(guò)程中并不會(huì)進(jìn)行表達(dá)，因此，這些研究挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家們關(guān)于大腦皮層神經(jīng)元細(xì)胞類型離散層狀組織的假設(shè)。

除了提供關(guān)于細(xì)胞類型和組織的見(jiàn)解外，單細(xì)胞分析還能幫助研究人員深入分析細(xì)胞類型的進(jìn)化保守特性，研究者Hodge等人分析了從人類和小鼠大腦皮層中收集的單細(xì)胞基因表達(dá)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)他們?cè)俅问褂镁垲惙治鰜?lái)識(shí)別所匹配的細(xì)胞類型，利用這種方法，研究人員發(fā)現(xiàn)，幾乎所有在人類大腦皮層中識(shí)別的75種細(xì)胞類型都顯示出了與小鼠大腦中所描述的細(xì)胞類型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（同源性）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，人類大腦皮層I-IV中神經(jīng)元（被認(rèn)為與認(rèn)知特異性的多方面有關(guān)）的多樣性要比小鼠大腦皮層中的神經(jīng)元更多；此外，研究者還注意到，在同源細(xì)胞類型中，特定基因的表達(dá)在不同物種之間的高度可變的，包括用于在任何物種數(shù)據(jù)集中定義這些細(xì)胞類型的基因（圖b）；小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中的免疫細(xì)胞，其在人類和小鼠的基因表達(dá)上存在較大的差異，這就表明，小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)免疫紊亂中的作用可能在物種間存在很大的差異。

這項(xiàng)研究的一個(gè)不足之處就是其所得的數(shù)據(jù)是使用了不同的分析方法（作者從人類樣本中提取得到了單個(gè)細(xì)胞核，而在小鼠分析總則提取了整個(gè)細(xì)胞）以及來(lái)自不同大腦皮層（人類大腦中的顳葉區(qū)域和小鼠的視覺(jué)皮層）所得到的；盡管如此，這項(xiàng)分析揭示了一種新方法，未來(lái)研究人員有望利用其來(lái)比較多種物種間細(xì)胞類型的同源性差異，值得注意的是，編碼神經(jīng)遞質(zhì)分子特定受體的基因就在人類和小鼠之間表達(dá)差異**的基因群中，這就表明，研究者的觀察結(jié)果或許對(duì)于模擬神經(jīng)元之間突觸的連接功能及其紊亂具有重要意義。

研究者Hodge及其同事的研究促進(jìn)了科學(xué)家們對(duì)大腦皮層中細(xì)胞組成的理解，并揭示了人類和小鼠大腦區(qū)域組裝之間此前未被發(fā)現(xiàn)的差異，研究人員比較了人類和小鼠保守細(xì)胞類型的差異，基于本文研究結(jié)果，后期他們還將深入研究來(lái)闡明細(xì)胞類型在進(jìn)化過(guò)程中是如何處于保守狀態(tài)的，以及不同物種之間改變對(duì)大腦細(xì)胞組裝的重要性。