發(fā)布日期：2018-03-20
近日，中國科學院生物物理研究所王曉群課題組、北京大學未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬課題組、北京大學第三醫(yī)院喬杰課題組和首都醫(yī)科大學附屬安貞醫(yī)院張軍課題組合作，繪制出人腦前額葉胚胎發(fā)育過程的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并對其中關鍵的細胞類型進行了系統(tǒng)功能研究，為繪制完整的人腦細胞圖譜奠定重要基礎。
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(zhì)基礎。伴隨著從靈長類祖先進化到現(xiàn)代人類的過程，人類大腦容量增加了三倍，并主要體現(xiàn)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(qū)域之一，具有極復雜且廣泛的神經(jīng)分布和雙向聯(lián)系，例如前額葉皮層與丘腦、尾狀核、蒼白球、杏仁核、海馬之間有著豐富的直接聯(lián)系，并通過這些結(jié)構與下丘腦和中腦之間實現(xiàn)間接的神經(jīng)聯(lián)系，而這些神經(jīng)聯(lián)系也是前額葉皮層多種生理心理功能的重要生物學基礎。然而，當前研究對“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發(fā)育過程中產(chǎn)生的”等腦科學問題知之甚少。
在該研究中，研究人員通過單細胞轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)，動態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層主要由神經(jīng)干細胞、興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞等六大類細胞組成，并進一步把這六大類細胞精確劃分為35個獨立的細胞亞型，深入挖掘了各個細胞類型關鍵基因表達特征及其重要生物學含義。研究發(fā)現(xiàn)，中間前體細胞IPC對神經(jīng)發(fā)生，特別是靈長類動物的神經(jīng)發(fā)生同樣起著重要作用。經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和多層次實驗驗證，研究提出IPC的產(chǎn)生具有兩個關鍵爆發(fā)期，一個是在胚胎發(fā)育10周左右，IPC主要由RG大量產(chǎn)生，而另一個峰值則發(fā)生在胚胎發(fā)育16周左右，IPC由oRG大量產(chǎn)生。正是通過IPC在這兩個爆發(fā)期的形成，數(shù)量龐大的神經(jīng)元才能在短暫的大腦皮層發(fā)育時期內(nèi)快速生成，進而形成結(jié)構復雜、功能豐富的前額葉皮層。
Monocle分析解釋人前額葉皮層發(fā)育的細胞譜系圖
在前額葉皮層中起著尤為關鍵作用的是眾多神經(jīng)元細胞。絕大部分新生神經(jīng)元在人類胎兒出生前就已經(jīng)開始分化和遷移，但當前研究對這些關鍵神經(jīng)發(fā)育事件的具體發(fā)生時間并不清晰。通過對神經(jīng)元單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和深度挖掘，研究首次揭示了在人類大腦前額葉皮層發(fā)育過程中興奮性神經(jīng)元生成、遷移和成熟的三個關鍵階段：8-12周，神經(jīng)干細胞大量增殖階段；13-16周，神經(jīng)干細胞分化并大量產(chǎn)生新生神經(jīng)元同時伴隨著新生神經(jīng)元的遷移階段；19-26周，神經(jīng)元開始逐漸成熟，表達關鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡階段。神經(jīng)元細胞形成具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡的過程是大腦發(fā)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(chǎn)期26周的前額葉皮層進行了深入功能研究，發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中很多神經(jīng)元已具備正常發(fā)放鈉鉀電流的能力，深層腦區(qū)神經(jīng)元已具備發(fā)放EPSC和IPSC等功能。
此外，該研究也對腦發(fā)育領域內(nèi)一直存在分歧的問題進行了探索。例如抑制性神經(jīng)元是否能在皮層中原位產(chǎn)生的問題，一種觀點認為皮層的抑制性神經(jīng)元只來源于位于大腦腹側(cè)的神經(jīng)節(jié)隆起區(qū)域（ganglionic eminence），并遷移到皮層；另一種觀點認為，有少量抑制性神經(jīng)元可能是皮層自身原位產(chǎn)生。在該研究中，研究人員通過單細胞轉(zhuǎn)錄組測序和免疫染色等技術手段發(fā)現(xiàn)，在早期前額葉皮層中已存在少量抑制性神經(jīng)元的前體細胞，但這部分前體細胞大多數(shù)處于細胞周期的靜息期，很可能暫時并不具備分裂生成神經(jīng)元的活性。同時，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析也表明，前額葉皮層中興奮性神經(jīng)元的成熟要早于抑制性神經(jīng)元。
王曉群、喬杰、湯富酬、張軍為該研究論文的共同通訊作者，博士研究生鐘穗娟、張書，博士范曉英、吳倩、閆麗盈為共同第一作者。該研究得到了國家重點基礎研究發(fā)展計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金等的資助。相關研究成果以Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex為題發(fā)表在《自然》上。
來源：生物物理研究所
