中國學者合作繪製人腦前額葉發育的單細胞圖譜並揭示神經元的分化成熟機制——張旭、仇子龍點評

BioArt按

正如湯富酬教授在點評前不久浙大郭國驥團隊關於繪製動物細胞圖譜相關工作中說的那樣，「中國在單細胞測序領域處於國際領先地位」。話音未落，在國內多家科研單位的強強合作之下，王曉群、湯富酬、喬傑和張軍等四個研究團隊的科研人員利用單細胞轉錄組測序手段，首次繪製了人腦前額葉胚胎髮育過程的單細胞轉錄組圖譜，解析了人類胚胎大腦前額葉發育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發育關係，揭示了神經元產生和環路形成的分子調控機制。為了讓讀者更好的了解該工作的重要意義，BioArt特別邀請到了中科院上海神經科學研究所張旭院士和仇子龍研究員進行了點評，以饗讀者！

大腦是人體中最複雜的器官，其複雜性遠遠超出了我們當前的認識能力，傳統的細胞生物學、神經生物學等研究手段對於全面解決人腦對環境中複雜信息的獲取、處理、加工以及高級認知功能的機制有很多局限性。時至今日，人腦依舊是人類認知領域的「暗物質」，人腦發育的很多關鍵問題仍然有待解決。腦科學研究不僅是國際上科技前沿的熱點領域，也是實現理解自然和人類自身這一終極目標的關鍵，吸引了全球眾多頂尖科學家投身其中。

近年來，隨著技術的不斷進步，世界上多個國家加快了腦科學研究的步伐。2013年，歐盟啟動了耗資10億歐元的「人類腦計劃」；同年，美國宣布啟動耗資45億美元的美國「腦計劃」；2014年，日本也啟動了大型腦研究計劃。在此背景之下，中國的「腦計劃」也呼之欲出，目前正在悄然布局，2018年有可能是中國「腦計劃」的起步元年。據《中國科學報》報道，日前，在教育部科技司、國家自然科學基金委員會政策局、華東師範大學主辦的「交叉融合的教育科學基礎研究」研討會上，中科院院士裴鋼、張旭等表示，必須全力推進「以腦科學為基礎的人工智慧」研究。

奧巴馬宣布啟動美國「腦計劃」

現在國際上的神經科學研究團體大多採用以小鼠和大鼠為代表的嚙齒類動物模型研究生理和病理條件下腦功能的神經機制。這是因為嚙齒類神經科學研究的實驗手段已經高度發展。

然而，基於嚙齒類的研究還遠遠不能完全揭示人腦發育的生理機制以及腦疾病發生的病理機制。現在人們越來越意識到，要想理解人類的高等認知功能（如思維和意識）、以及腦疾病（特別是精神疾病），基於嚙齒類的研究還遠遠不能完全揭示人腦發育的生理機制以及腦疾病發生的病理機制。要理解人腦是怎樣工作的，一個必備的基礎是詳細精準的人類大腦 「細胞類型圖譜」，也就是說要鑒定出人腦中全部細胞類型（神經元和神經膠質細胞）並確定它們在人腦中各個區域的分布以及每種細胞類型的基因表達模式，進而通過把不同細胞類型中特異表達的基因作為標誌物，繪製出人腦中所有神經元相互之間連接關係的完整圖譜。

相互聯結的神經元（來源：GE Healthcare）

其中，人腦前額葉皮層是人類大腦高級功能的關鍵組成部分，參與記憶形成、短期儲存以及調取功能、語言功能、情緒的調節等功能。前額葉皮層參與人腦的高級智力活動，是人類思想的重要物質基礎，從靈長類祖先進化到現代人類的過程中，大腦容量增加了一倍，而這增加的部分主要體現在前額葉皮層面積的增加上。前額葉皮層是大腦中最重要的區域之一，具有極其複雜而且廣泛的神經分布和雙向聯繫，例如，前額葉皮層和丘腦、尾狀核、蒼白球、杏仁核和海馬之間有著豐富的直接聯繫，再通過這些結構與下丘腦和中腦之間實現著間接的神經聯繫，而這些神經聯繫，是前額葉皮層多種生理心理功能的重要生物學基礎。但我們對於「人腦前額葉到底由哪些細胞組成，這些細胞又是如何在胚胎髮育過程中產生的」這些關鍵的腦科學問題知之甚少。

2018年3月14日，中科院生物物理研究所王曉群課題組與北京大學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研究組，攜手北京大學第三醫院喬傑研究組和首都醫科大學附屬安貞醫院張軍課題組聯合在Nature上在線發表了題為Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex的文章。該研究利用單細胞轉錄組測序手段，繪製了人腦前額葉胚胎髮育過程的單細胞轉錄組圖譜，解析了人類胚胎大腦前額葉發育的細胞類型多樣性及不同細胞類型之間的發育關係，揭示了神經元產生和環路形成的分子調控機制，並對其中關鍵的細胞類型進行了系統的功能研究,為繪製最終完整的人腦細胞圖譜，奠定了重要的基礎。

這項研究發現，在動態發育的人類胚胎前額葉皮層中，主要由神經幹細胞、興奮性神經元、抑制性神經元、星型膠質細胞、少突膠質細胞、小膠質細胞等六大類細胞組成，並進一步把這六大類細胞精確地劃分為35個獨立的細胞亞型，並進一步深入挖掘了各個細胞類型的關鍵基因表達特徵及其重要生物學含義，為未來對這些細胞類型的後續研究提供了高精度無偏的分子圖譜。

該研究利用擬時間等演算法重構了這些神經細胞類型之間的發育譜系關係，發現在前額葉皮層中的神經幹細胞是一個具有高度複雜的異質性的功能細胞群體，在不同的胚胎髮育階段分別分化成神經元細胞、星型膠質細胞和少突膠質細胞。通過更深入的功能分析，研究人員還發現了與神經幹細胞對稱分裂、神經元發生、膠質細胞發生這三個重要神經發育事件密切相關的一系列關鍵基因表達特徵，並進行了深入、系統的實驗驗證。

人腦前額葉細胞發育圖示

在人類神經幹細胞的研究中，雖然近些年來主要研究集中在放射狀膠質細胞(Radial Glia，RG)或外層放射狀膠質細胞(outer radial glial cells,oRGs)上，但是中間前體細胞IPC（intermediate progenitor cells）對於神經發生、特別是靈長類動物的神經發生同樣起著重要的作用。

通過系統的數據分析和多層次的實驗驗證，研究人員提出IPC的產生具有兩個關鍵爆發期，一個是在胚胎髮育10周左右，這些IPC主要由RG大量產生，而另一個峰值則發生在胚胎髮育16周左右，這些IPC由oRG大量產生。正是通過IPC的這兩個爆發期的形成，數量龐大的神經元才能在短暫的大腦皮層發育時期內快速生成，並形成了結構複雜、功能豐富的前額葉皮層。

前額葉皮層神經元產生的兩個關鍵爆發期

在前額葉皮層中起著尤為關鍵作用的是眾多的神經元細胞，在過去的認識中，我們只知道絕大部分的新生神經元在人類胎兒出生前已經開始分化和遷移，但對這些關鍵的神經發育事件的具體發生時間卻知之甚少。研究人員通過對神經元單細胞轉錄組數據的系統分析和深度挖掘，首次揭示了在人類大腦前額葉皮層發育過程中興奮性神經元生成、遷移和成熟的三個關鍵階段：

1

8-12周神經幹細胞大量增殖階段

2

13-16周神經幹細胞分化並大量產生新生神經元同時伴隨著新生神經元的遷移階段

3

19-26周，神經元開始逐漸成熟，表達關鍵功能蛋白並初步形成有功能的神經網路的階段。

神經元細胞形成具有功能的神經網路的過程是大腦發育的一個非常重要的階段，王曉群課題組利用電生理等手段對人類圍產期26周的前額葉皮層進行了深入的功能研究，發現在前額葉皮層中很多神經元已經具備了正常發放鈉鉀電流的能力，在深層腦區的神經元更是具備了發放EPSC（excitatory postsynaptic currents，興奮性突觸後電流）和IPSC（inhibitory postsynaptic currents，抑制性突觸後電流）等功能。

人類前額葉皮層細胞生成及分化、功能產生的發育時間

另外，該研究也對於腦發育領域內一直存在分歧的問題進行了探索。例如，對於抑制性神經元是否能在皮層中原位產生的問題過去一直是眾說紛紜，一種觀點認為皮層的抑制性神經元只來源於位於大腦腹側的神經節隆起區域（ganglionic eminence），並進而遷移到皮層；而另一種觀點則認為有少量的抑制性神經元可能是皮層自身原位產生的。

為了解開上述謎題，研究人員通過單細胞轉錄組測序和免疫染色等技術手段，發現在早期的前額葉皮層中已經存在少量的抑制性神經元的前體細胞，但這部分的前體細胞大多數處於細胞周期的靜息期，很可能暫時並不具備分裂生成神經元的活性。同時，轉錄組數據分析也表明，前額葉皮層中興奮性神經元的成熟要早於抑制性神經元。

前額葉皮層的細胞組成是其形成神經網路、執行複雜、豐富功能的生物學基礎，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，對人類前額葉皮層發育的細胞和分子機制進行了深入、精準的探索和分析，為解答前額葉皮層如何參與「思考和思想形成」這一關鍵問題的後續研究提供了高精度的細胞圖譜，是前額葉皮層發育研究史上的重要突破和重大進展。

專家點評

張旭（神經科學家，中國科學院院士，中科院上海神經科學研究所研究員）

人類大腦的前額葉皮層參與學習記憶、記憶儲存以及感知、語言、情緒調節等人腦高級智力活動和生理心理功能的最關鍵的腦區之一。王曉群及合作者繪製了人腦前額葉在胚胎期間發育的單細胞圖譜，揭示了細胞類型多樣性及其發育規律，以及神經元產生和環路形成的分子調控機制，並對其中關鍵的細胞類型的功能進行了分析。這一系列的新發現為最終繪製出完整的人類大腦細胞圖譜奠定了十分重要的基礎，是人類大腦發育研究史上的重要突破和重大進展。

仇子龍（神經科學家，國家傑青，中科院上海神經科學研究所研究員）

什麼是現代神經科學的最重要的科學問題？當然是人腦如何使人類成為萬物之靈的。由於很難對人腦進行直接研究，科學家們退而求其次研究了其他的模式動物，比如嚙齒類的小鼠以及非人靈長類的獼猴，但是毫無疑問，人腦為什麼能夠成為獨一無二的人腦，當然是最重要的科學問題。而在人類大腦中，什麼部位相對最為重要，毫無疑問是前額葉（Prefrontal cortex）,百餘年的認知實驗與疾病研究已經告訴前額葉是人類大腦的最高司令部，處理著許許多多包括認知，情感，記憶等等高級腦功能。

非常高興的讀到了這份非常震撼的文章，王曉群研究員、湯富酬教授、北醫三院喬傑院士與首醫安貞醫院張軍教授的合作研究，將人類發育時期的前額葉皮層中2300多個細胞進行了單細胞RNA測序，為我們打開了一扇嶄新的窗戶，讓我們首次認識到人類大腦最高司令部的組成與功能的奧秘。

他們首先繪製了人腦前額葉從8周到26周的發育的單細胞轉錄組圖譜，深入挖掘了各個細胞類型的不同亞類，以及不同細胞類型的特徵基因，為發育中前額葉皮層細胞的細緻分型提供了基礎數據。但是遠遠不同於已經發表的一些單細胞測序的文章，此文還通過數據分析的支持，得到了大量人類大腦前額葉發育的重要規律，首先發現神經前體細胞的命運會分成向神經元產生方向，和向膠質細胞產生方向發育。其次，找到了神經前體細胞中的一個新的亞類中間前體細胞IPC在前額葉皮層發育過程中也有著重要作用，IPC產生具有兩個關鍵爆發期，並發現IPC的特異性基因。更有趣的是，作者們通過轉錄組分析，揭示了在人類大腦前額葉皮層中興奮性神經元發育的關鍵階段的具體時間：生成（8-12周）、遷移（13-16周）和成熟（19-26周），並且通過電生理手段首次發現人前額葉皮層深層神經元在孕期26周就出現了初步的環路（出現了興奮性與抑制性突觸後電流)。此發現說明神經元之間的電活動在人類大腦早期發育中可能起到非常重要的作用，胎教是否確實更有必要了呢？

此研究遠遠超越了之前單細胞測序研究的方面還有對大腦中抑制性神經元的起源問題有重要的新發現。此文發現在早期的前額葉皮層（10周）中已經存在少量的抑制性神經元的前體細胞（TTF1陽性），雖然轉錄組測序分析表明TTF1陽性的前體細胞大多數處於細胞周期的靜息期，但還是表明有可能一部分抑制性神經元是在皮層區原位生成的，而並非主流觀點是從GE區遷移過來的。研究者們接著通過Axon guidance和Neurotrophin信號通路的分析，發現與興奮性神經元相比，抑制性神經元的功能成熟相對比較晚,兩類神經元的成熟時間並不一致。提示人類大腦發育非常不同於其他模式生物的大腦，也為神經發育疾病例如自閉症等疾病的研究提供了重要的切入點。

值得一提的是，王曉群研究員對人類大腦皮層發育已經做出了一系列突破性的研究，比如去年發表在Cell stem cell雜誌上的工作（詳見此前的報道：中國學者揭示人類大腦皮層溝回摺疊的新機制），證明人類大腦皮層發育中一個特異性的基因，對皮層的溝回形成有重要作用，將此特異性基因轉入小鼠可使小鼠的大腦皮層長出了類似人類大腦的溝回。最後，通過此篇文章，我們可以看到在當前的中國，科研合作是如此的重要，王曉群研究員與湯富酬教授長期以來並肩戰鬥，發表了數篇重要文章，同時也與臨床醫生緊密合作，一起為探討人類大腦的奧秘，作出了重要突破。讓我們期待他們再創輝煌，為破解人類大腦的最終秘密做出更大貢獻！

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