科學(xué)家成功繪制出人類大腦細胞類型的“百科全書”

為了制作一道新菜，廚師必須選擇食材并將其進行混合，從而實現(xiàn)不同的口味和質(zhì)地，同樣地，成千上萬個基因多種不同組合的表達能夠創(chuàng)造并維持大腦中每種細胞多種多樣的“味道”，近日，一項刊登在國際雜志Nature上的研究報告中，研究者Hodge等人通過研究報道了他們對大腦中單個細胞基因表達的分析，這或能為人類大腦皮層的神經(jīng)元細胞類型提供一本分子“食譜”，大腦皮層是機體維持許多認知功能的大腦組織的一部分。通過比較人類和小鼠神經(jīng)元細胞中基因表達的模式，研究人員揭示了在進化過程中分子定義細胞類型的顯著保守特性，同時也強調(diào)了保守細胞類型中基因表達的多種關(guān)鍵物種特異性差異。

對大腦中神經(jīng)元細胞類型的分類是神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個長期目標(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)元會被組裝成為6個片狀層結(jié)構(gòu)，并分布在幾十個解剖上不同的區(qū)域，考慮到單個神經(jīng)元之間差異的來源很多，在一個共同的分類下對腦細胞進行系統(tǒng)性地注釋對于科學(xué)家們而言將是一大挑戰(zhàn)。此前研究中，研究人員通過對大腦不同區(qū)域中基因表達情況的測定，并利用生物信息學(xué)分析來識別主要細胞群的分子特征，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)能被測定單個細胞中基因表達的技術(shù)所擴展，但從人類大腦組織中分離完整的細胞在技術(shù)上仍然面臨一定的挑戰(zhàn)，許多細胞在這個過程中都丟失了。

研究者Hodge等人通過測定去世后或手術(shù)中獲得的人類大腦樣本中分離的單個細胞核中不同RNA的轉(zhuǎn)錄水平克服了這個問題，隨后研究人員對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計學(xué)分析，其能將單個收據(jù)點（每個點代表一個單細胞）分組成為與細胞所表達的RNA轉(zhuǎn)錄物類型相對應(yīng)的簇。研究人員揭示了75個不同的簇，其中包括24種興奮性神經(jīng)元（大腦中主要的信號產(chǎn)生細胞）、45種抑制性神經(jīng)元（抑制神經(jīng)活性）和6種非神經(jīng)元細胞類型，這些細胞簇中的許多簇能夠代表此前被定義的細胞類型，但其它則代表了廣泛神經(jīng)細胞類型中此前研究人員并不清楚的細胞簇，根據(jù)細胞的一般功能（興奮性、抑制性或非神經(jīng)元特性）、解剖位置、主要類群和特殊細胞類型的基因表達特性，每種細胞類型都有四個部分的名稱。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對神經(jīng)細胞類型進行分類。

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

在某些細胞類型中，特定基因的表達與精確的層狀位置有關(guān)，然而，與最近研究人員在小鼠機體中的研究結(jié)果形成鮮明對比的是，研究者Hodge發(fā)現(xiàn)，在人類機體中，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)通過對完整組織樣本中特定細胞類型特異性RNA轉(zhuǎn)錄物的熒光標(biāo)記就能夠得以實現(xiàn)。在人類大腦皮層的發(fā)育過程中，研究人員進行的基因表達分析支持了這一觀點，該調(diào)查發(fā)現(xiàn)，細胞類型的分子特征或許與其“出生日期”并無關(guān)聯(lián)，而且大多數(shù)分子層狀標(biāo)記物在發(fā)育過程中并不會進行表達，因此，這些研究挑戰(zhàn)了長期以來科學(xué)家們關(guān)于大腦皮層神經(jīng)元細胞類型離散層狀組織的假設(shè)。

除了提供關(guān)于細胞類型和組織的見解外，單細胞分析還能幫助研究人員深入分析細胞類型的進化保守特性，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胞基因表達的數(shù)據(jù)信息，同時他們再次使用聚類分析來識別所匹配的細胞類型，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別的75種細胞類型都顯示出了與小鼠大腦中所描述的細胞類型之間的對應(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（被認為與認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，在同源細胞類型中，特定基因的表達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)集中定義這些細胞類型的基因（圖b）；小膠質(zhì)細胞是大腦中的免疫細胞，其在人類和小鼠的基因表達上存在較大的差異，這就表明，小膠質(zhì)細胞在神經(jīng)免疫紊亂中的作用可能在物種間存在很大的差異。

這項研究的一個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細胞核，而在小鼠分析總則提取了整個細胞）以及來自不同大腦皮層（人類大腦中的顳葉區(qū)域和小鼠的視覺皮層）所得到的；盡管如此，這項分析揭示了一種新方法，未來研究人員有望利用其來比較多種物種間細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差異**的基因群中，這就表明，研究者的觀察結(jié)果或許對于模擬神經(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了科學(xué)家們對大腦皮層中細胞組成的理解，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闡明細胞類型在進化過程中是如何處于保守狀態(tài)的，以及不同物種之間改變對大腦細胞組裝的重要性。