2023年12月，中国科学院动物研究所焦建伟团队、广州国家实验室董骥团队、北京大学杜鹏团队和北京大学靳蕾团队在Cell（IF=64.5）发表题为Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain的文章。通过单细胞（scRNA-seq）和时空转录组（scStereo-seq）研究，首次解析迄今为止跨时间点最广（GW6-GW23）、面积最大（最大4cm x 3cm）的人脑多区域时空发育转录组图谱，为解码人脑发育及区域特化研究提供了新见解。
尊龙凯时人生就博为本研究合作作者，提供scRNA-seq、Stereo-seq实验、测序、基础分析等服务。
1、研究背景
脑是人类最复杂和神秘的器官。解剖学上，脑可以被划分为不同的区域，包括端脑（以新皮层(Cor)为主），间脑（Dien），中脑（Mid）以及小脑（Cere）等。不同脑区具有特殊的输入输出连接，执行各种重要的功能。人脑“黑匣子”的奥秘让整个世界为之重视并探索！然而，在人类脑发育过程中，区域特化的研究仍面临许多难关，脑细胞类型的变化特征和空间分布特点需进行全面、系统的研究，世界脑科学的发展仍面临重大挑战。
2、测序策略
10x单细胞转录组测序& Illumina PE150（GW6、GW8、GW10、GW12、GW14、GW16和GW23）
华大时空自主研发的时空组学技术Stereo-seq& MGI PE100（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）
转录组测序&PE150
3、研究内容
1）发育中的人脑单细胞时空转录组图谱为深入研究发育中人脑神经元的区域特征，研究者对33个人类胚胎多个发育时间点（GW6- GW23）、不同脑区（Cor、Dien、Mid、Cere）进行单细胞转录组研究，鉴定出免疫细胞、神经前体细胞、谷氨酸能神经元、GABA能神经元、少突胶质细胞前体细胞、星形胶质细胞前体细胞、中胚层来源细胞等19个主要亚型，绘制了人脑发育中的动态变化图谱。空间组织对于理解不同类型脑细胞的生理功能以及信号相互作用至关重要。对（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）人类胚胎进行时空转录组Stereo-seq研究，并采用bin50作为细胞分析脑组织切片基质信息，通过可视化主要细胞类型的空间分布，揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式。
2）发育中的人脑中神经前体细胞时空多样性和关键转录因子的发现为进一步了解神经前体细胞（NPC）的独特功能，将NPC重新聚为5个亚型并可视化不同时期不同脑区的时空分布特点。在GW8所有脑区、GW10-16部分脑区，表现出明显的脑室区/室下区（VZ/SVZ）分布，同时揭示了不同脑区不同NPC亚型的分子多样性。其中放射状胶质细胞（RG）最先出现，且在该阶段表现出明显的区域异质性；TFAP2C的缺失会影响人Cor RG的形成，其特异性在人大脑皮层RG中表达并成为决定大脑RG细胞的命运的关键转录因子。接着，将各脑区的RG细胞进一步分群并观察空间分布特点。Cor RG可以分为oRG和vRG，oRG在额叶（FL）的比例明显高于枕叶（OL）。将Dien RG分为Dien RG-1和Dien RG-2，Dien RG-1主要分布在Dien腹侧，而Dien RG-2主要分布在Dien背侧。除Mid RG-4已有研究报道，其余5个亚型均为首次鉴定到，且在GW8时便显示出独特的空间分布特点，它们可能在Mid中发展成为不同类型的神经元。
3）发育过程中不同区域神经元亚群的时空分布特点
将谷氨酸能神经元和GABA能神经元分别进一步分为17个和20个亚群，这些神经元亚群表现出明显的脑区域异质性和分子多样性。Dien谷氨酸能神经元和GABA能神经元亚型存在着显著的背腹侧分布差异。Cor兴奋性神经元可以进一步细分为迁移神经元，上层神经元以及深层神经元的多个亚型，本研究观察了它们在更广时间窗（GW8-GW16）的发育过程中的时空变化。
4）异质性的RG有助于神经元的区域特化
研究者计算并重建了每个区域特定神经元亚群的时空发育轨迹。Cor RG分化为IPC和Prec2，并最终发展为谷氨酸能神经元。Dien RG-1趋向于向LHX6+ GABA能神经元发育，而Dien RG-2趋向于向谷氨酸能神经元发展。Dien RG-1和LHX6+ GABA能神经元主要位于Dien腹侧，而Dien RG-2和Dien谷氨酸能神经元主要位于Dien背侧。这将有助于更好地理解异质性RG细胞如何对神经元的区域特化做出贡献。
5）胶质细胞和神经元相互作用促进神经元区域特化
研究者进一步将GW6-GW23不同脑区的少突胶质细胞前体细胞（OPC）和星形胶质细胞前体细胞（APC）进行亚群细分，通过比较分析发现它们的区域异质性相对较小，但是，进一步观察发现这些亚型存在显著的空间分布偏好。Dien中OPC亚型与GABA能神经元之间的细胞通讯多发生在Dien腹侧，而这些相互作用可能促进了GABA能神经元的发育和成熟。而这些空间偏好性的分布有助于促进神经元区域特化。
4、结论
综上所述，研究者鉴定并呈现了发育早期具有特定空间分布特点的RG细胞亚型，揭示了这些RG细胞有助于随后不同脑区神经元的特化，同时发现胶质细胞和神经元互作也会促进神经元的区域特化，为人脑发育、神经元的区域特化和相关疾病的深入研究提供了宝贵资源。
中国科学院动物研究所焦建伟研究员、广州国家实验室董骥研究员、北京大学杜鹏研究员和北京大学靳蕾副研究员为本文共同通讯作者。中国科学院动物研究所博士后李妍昕、博士后李忠秋、广州国家实验室助理研究员王长亮、北京大学生命科学学院毕业博士生杨敏为本文的共同第一作者。王雁玲研究团队参与了项目协作。
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