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基礎。伴隨著從靈長類祖先進化到現代人類的過程，人類大腦容量增加了三倍，并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(qū)域之一，具有極復雜且廣泛的神經分布和雙向聯系，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系，并通過這些結構與下丘腦和中腦之間實現間接的神經聯系，而這些神經聯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錄組測序發(fā)現，動態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層主要由神經干細胞、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，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，中間前體細胞IPC對神經發(fā)生，特別是靈長類動物的神經發(fā)生同樣起著重要作用。經過系統(tǒng)數據分析和多層次實驗驗證，研究提出IPC的產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大量產生。正是通過IPC在這兩個爆發(fā)期的形成，數量龐大的神經元才能在短暫的大腦皮層發(fā)育時期內快速生成，進而形成結構復雜、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元細胞。絕大部分新生神經元在人類胎兒出生前就已經開始分化和遷移，但當前研究對這些關鍵神經發(fā)育事件的具體發(fā)生時間并不清晰。通過對神經元單細胞轉錄組數據的系統(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元生成、遷移和成熟的三個關鍵階段：8-12周，神經干細胞大量增殖階段；13-16周，神經干細胞分化并大量產生新生神經元同時伴隨著新生神經元的遷移階段；19-26周，神經元開始逐漸成熟，表達關鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經網絡階段。神經元細胞形成具有功能的神經網絡的過程是大腦發(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期26周的前額葉皮層進行了深入功能研究，發(fā)現在前額葉皮層中很多神經元已具備正常發(fā)放鈉鉀電流的能力，深層腦區(qū)神經元已具備發(fā)放EPSC和IPSC等功能。

　　此外，該研究也對腦發(fā)育領域內一直存在分歧的問題進行了探索。例如抑制性神經元是否能在皮層中原位產生的問題，一種觀點認為皮層的抑制性神經元只來源于位于大腦腹側的神經節(jié)隆起區(qū)域（ganglionic eminence），并遷移到皮層；另一種觀點認為，有少量抑制性神經元可能是皮層自身原位產生。在該研究中，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(fā)現，在早期前額葉皮層中已存在少量抑制性神經元的前體細胞，但這部分前體細胞大多數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于抑制性神經元。

　　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