2018年6月4日，意昂2平台北京未來基因診斷高精尖創新中心🏇🏽🦻🏼、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組與中國科學院生物物理研究所王曉群課題組💛、意昂2平台第三醫院喬傑課題組聯合在學術期刊 Cell Research 上在線發表了題為“Spatial transcriptomic survey of human embryonic cerebral cortex by single-cell RNA-seq analysis”的文章。該研究利用單細胞轉錄組測序技術👩‍🚀，繪製了人類胚胎中晚期（22-23周齡）大腦全皮層及腦幹共22個腦區的高精度單細胞轉錄組圖譜📼，系統解析了全皮層細胞類型多樣性，揭示了不同腦區細胞組成的差異性以及同種類型神經元在不同腦區的基因差異表達特點✍🏻，闡明了胚胎期不同腦區發育成熟的異步性特征🕉👩‍👧‍👧。

　　這是繼2018年3月14日該合作團隊在 Nature 發表對人類大腦前額葉發育調控工作之後在空間維度上對人類大腦發育的進一步系統分析。通過與其他課題組已發表的人類成年大腦神經元單細胞轉錄組數據進行系統的比較分析🦓🤹🏼‍♀️，該研究確定了胚胎期大腦神經元細胞基因表達的關鍵特征。此外🧑🏽‍⚖️，該研究還系統分析了已知的自閉症風險基因在各個腦區興奮性神經元中的表達特點和區域特異性🧑🏿‍💻🪤，推測了胚胎發育時期對自閉症發生最密切相關的腦區以及潛在的風險基因，為研究神經系統疾病的發生機理提供了參考。

　　該研究發現人類大腦皮層的區域差異性首先體現在各種類型細胞的組成比例不同，特別是神經元和膠質細胞組成比例的顯著不同上👝。在額葉區域以興奮性神經元為主而在顳葉區域以抑製性神經元為主，皮層下側的腦區則主要富集神經膠質細胞，這為不同腦區神經信號網絡的差異提供了細胞基礎。興奮性神經元與起源自原始神經節的抑製性神經元在發育調控上有著截然不同的特征，前者是一個連續成熟的異步分化發生過程🥲，而後者則在發育上比較同步😘，同一發育時期大腦皮層中不同抑製性神經元的成熟度比較一致🎀，異質性很小。研究通過對興奮性神經元細胞發育過程的深入分析🌉🦶🏼，鑒定了調控大腦皮層神經元成熟的關鍵候選轉錄因子，為體外神經元定向誘導分化提供了參考。

　　為了全面解析人類胚胎期神經元細胞與成體神經元細胞的基因表達差異，該研究系統分析比較了多個已經發表的單細胞轉錄組數據集，發現大腦皮層中的興奮性神經元在胚胎期與成年期的基因表達差異較小，而抑製性神經元在胚胎期與成年期之間差異很大，說明抑製性神經元在胚胎發育晚期及出生後發生了更為劇烈的基因表達變化。即使胚胎-成體差異程度存在不同，這兩種神經元在所研究的胚胎階段都還不具備成體大腦皮層神經元的分層分布特征。當把所分析的所有類型的神經元細胞做聚類分析時⚔️，研究發現胚胎-成體階段間的基因表達差異遠大於同一發育階段不同類型神經元細胞之間的基因表達差異，並且胚胎期興奮性神經元與抑製性神經元之間的基因表達差異大於成年期這二者之間的差異。

　　興奮性神經元分化成熟過程的調控、大腦區域成熟差異、以及胚胎期與與成體神經元的比較分析

　　以往的不同腦區基因表達差異的相關研究，通常是基於大量細胞平均分析的結果來研究腦區差異表達基因，然而這種方式無法確定這樣的腦區特異性分子標記具體是哪種細胞表達的🤷🏼‍♂️，以及這樣的區域差異是否僅僅由於不同腦區相同細胞類型的組成比例不同導致的。而該研究在單細胞分辨率上鑒定出的不同神經元細胞類型中比較了不同腦區的差異表達基因，發現了未成熟興奮性神經元🎾、成熟興奮性神經元以及抑製性神經元在不同腦區的基因表達差異，這些區域特異性表達的基因中很多與已知的神經系統疾病或者大腦區域化功能發育基因密切相關，進一步揭示了神經系統功能形成的腦區特異性調控機製。原有的研究發現自閉症的發生與妊娠中期的投射神經元發育關系密切，該研究在此基礎上進一步提示已知的自閉症風險基因與較為成熟的興奮性神經元特異性表達基因的相關性更高，而且這些自閉症風險基因與大腦更靠近背側的皮層區域的發育更為相關🦹‍♀️，提示這些背側皮層區域的神經元發育異常可能更容易引發自閉症。

　　人類大腦皮層包含了數十億個神經元🥺。近年來利用單細胞測序手段研究神經系統個別腦區多樣性的工作已經廣泛開展，但是對人類胚胎期的大腦全皮層的各個主要區域進行系統比較分析的研究此前尚未見報導🙅🏿‍♀️。大腦皮層不同區域的神經元細胞存在明顯的功能差異，比如聽覺神經主要分布在顳葉區域🎚，枕葉區域是視覺信號傳輸的主要區域🤙🏼。這些區域功能差異必然與腦區的結構和細胞類型組成密切相關🤽🏿‍♀️，因而研究發育過程中不同腦區的基因表達差異對於認識大腦區域特異性功能的形成具有重要參考價值。該項研究通過高精度的單細胞轉錄組測序，結合系統的生物信息學分析和深度數據挖掘，對全皮層的細胞類型和基因表達差異進行了深入𓀚👨🏻‍💻、精準的探索和分析⤵️，為解答“全皮層區域功能形成的調控”這一關鍵問題的後續研究提供了高精度的單細胞圖譜，也為後續神經系統發育研究提供了參考🚴🏼‍♂️。

　　意昂2平台北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學學院博士後範小英、博士生董驥，中科院生物物理所博士生鐘穗娟☸️，以及意昂2三院博士生魏源為該研究的並列第一作者，湯富酬教授🏊、喬傑教授及王曉群教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金委、科技部👃🥋、北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學聯合中心等的支持。 

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　　編輯：玉潔