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王晓群课题组等绘制出人胎脑前额叶发育的单细胞图谱并揭示神经元的分化成熟机制
发布日期:2018-03-15    浏览次数:364

2018年3月14号,Nature 杂志在线发表“Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex”的研究论文。该研究是由中国科学院脑科学与智能技术卓越中心王晓群课题组(中科院生物物理研究所)与北大汤富酬课题组、乔杰课题组、首都医科大学安贞医院张军课题组共同完成。大脑是人体中最复杂的器官,其复杂性远远超出了我们当前的认识能力,传统的细胞生物学、神经生物学等研究手段对于全面解决人脑对环境中复杂信息的获取、处理、加工以及高级认知功能的机制有很多局限性。时至今日,人脑依旧是人类认知领域的“暗物质”,人脑发育的很多关键问题仍然有待解决。脑科学研究不仅是国际上科技前沿的热点领域,也是实现理解自然和人类自身这一终极目标的关键,吸引了全球众多顶尖科学家投身其中。 近年来,随着技术的不断进步,世界上多个国家加快了脑科学研究的步伐。2013年,欧盟启动了耗资10亿欧元的“人类脑计划”;同年,美国宣布启动耗资45亿美元的美国“脑计划”;2014年,日本也启动了大型脑研究计划。 现在国际上的神经科学研究团体大多采用以小鼠和大鼠为代表的啮齿类动物模型研究生理和病理条件下脑功能的神经机制。这是因为啮齿类神经科学研究的实验手段已经高度发展。 然而,基于啮齿类的研究还远远不能完全揭示人脑发育的生理机制以及脑疾病发生的病理机制。现在人们越来越意识到要想理解人类的高等认知功能(如思维和意识)、以及脑疾病(特别是精神疾病),基于啮齿类的研究还远远不能完全揭示人脑发育的生理机制以及脑疾病发生的病理机制。要理解人脑是怎样工作的,一个必备的基础是详细精准的人类大脑 “细胞类型图谱”,也就是说要鉴定出人脑中全部细胞类型(神经元和神经胶质细胞)并确定它们在人脑中各个区域的分布以及每种细胞类型的基因表达模式。进而通过把不同细胞类型中特异表达的基因作为标志物,绘制出人脑中所有神经元相互之间连接关系的完整图谱。其中,人脑前额叶皮层是人类大脑高级功能的关键组成部分,参与记忆形成、短期储存以及调取功能、语言功能、情绪的调节等功能。前额叶皮层参与人脑的高级智力活动,是人类思想的重要物质基础,从灵长类祖先进化到现代人类的过程中,大脑容量增加了一倍,而这增加的部分主要体现在前额叶皮层面积的增加上。前额叶皮层是大脑中最重要的区域之一,具有极其复杂而且广泛的神经分布和双向联系,例如,前额叶皮层和丘脑、尾状核、苍白球、杏仁核和海马之间有着丰富的直接联系,再通过这些结构与下丘脑和中脑之间实现着间接的神经联系,而这些神经联系,是前额叶皮层多种生理心理功能的重要生物学基础。但我们对于“人脑前额叶到底由哪些细胞组成,这些细胞又是如何在胚胎发育过程中产生的”这些关键的脑科学问题知之甚少。

该研究利用单细胞转录组测序手段,绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱,解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系,揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制,并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究,为绘制最终完整的人脑细胞图谱,奠定了重要的基础。

人脑前额叶细胞发育图示

这项研究发现,在动态发育的人类胚胎前额叶皮层中,主要由神经干细胞、兴奋性神经元、抑制性神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等六大类细胞组成,并进一步把这六大类细胞精确地划分为35个独立的细胞亚型,并进一步深入挖掘了各个细胞类型的关键基因表达特征及其重要生物学含义,为未来对这些细胞类型的后续研究提供了高精度无偏的分子图谱。该研究利用拟时间等算法重构了这些神经细胞类型之间的发育谱系关系,发现在前额叶皮层中的神经干细胞是一个具有高度复杂的异质性的功能细胞群体,在不同的胚胎发育阶段分别分化成神经元细胞、星型胶质细胞和少突胶质细胞。通过更深入的功能分析,研究人员发现了与神经干细胞对称分裂、神经元发生、胶质细胞发生这三个重要神经发育事件密切相关的一系列关键基因表达特征,并进行了深入、系统的实验验证。

在人类神经干细胞的研究中,虽然近些年来主要研究集中在RG细胞或oRG细胞上,但是中间前体细胞IPC对于神经发生、特别是灵长类动物的神经发生同样起着重要的作用。通过系统的数据分析和多层次的实验验证,研究人员提出IPC的产生具有两个关键爆发期,一个是在胚胎发育10周左右,这些IPC主要由RG大量产生,而另一个峰值则发生在胚胎发育16周左右,这些IPC由oRG大量产生。正是通过IPC的这两个爆发期的形成,数量庞大的神经元才能在短暂的大脑皮层发育时期内快速生成,并形成了结构复杂、功能丰富的前额叶皮层。

前额叶皮层神经元产生的两个关键爆发期
 

在前额叶皮层中起着尤为关键作用的是众多的神经元细胞,在过去的认识中,我们只知道绝大部分的新生神经元在人类胎儿出生前已经开始分化和迁移,但对这些关键的神经发育事件的具体发生时间却知之甚少。研究人员通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘,首次揭示了在人类大脑前额叶皮层发育过程中兴奋性神经元生成、迁移和成熟的三个关键阶段:(一)8-12周神经干细胞大量增殖阶段;(二)13-16周神经干细胞分化并大量产生新生神经元同时伴随着新生神经元的迁移阶段;(三)19-26周,神经元开始逐渐成熟,表达关键功能蛋白并初步形成有功能的神经网络的阶段。神经元细胞形成具有功能的神经网络的过程是大脑发育的一个非常重要的阶段,王晓群课题组利用电生理等手段对人类围产期26周的前额叶皮层进行了深入的功能研究,发现在前额叶皮层中很多神经元已经具备了正常发放钠钾电流的能力,在深层脑区的神经元更是具备了发放EPSC和IPSC等功能。

人类前额叶皮层细胞生成及分化、功能产生的发育时间

另外,该研究也对于脑发育领域内一直存在分歧的问题进行了探索。例如,对于抑制性神经元是否能在皮层中原位产生的问题过去一直是众说纷纭,一种观点认为皮层的抑制性神经元只来源于位于大脑腹侧的神经节隆起区域(ganglionic eminence),并进而迁移到皮层;而另一种观点则认为有少量的抑制性神经元可能是皮层自身原位产生的。为了解开这个谜题,研究人员通过单细胞转录组测序和免疫染色等技术手段,发现在早期的前额叶皮层中已经存在少量的抑制性神经元的前体细胞,但这部分的前体细胞大多数处于细胞周期的静息期,很可能暂时并不具备分裂生成神经元的活性。同时,转录组数据分析也表明,前额叶皮层中兴奋性神经元的成熟要早于抑制性神经元。

前额叶皮层的细胞组成是其形成神经网络、执行复杂、丰富功能的生物学基础,该项研究通过高精度的单细胞转录组测序、结合系统的生物信息学分析和深度数据挖掘,对人类前额叶皮层发育的细胞和分子机制进行了深入、精准的探索和分析,为解答前额叶皮层如何参与“思考和思想形成”这一关键问题的后续研究提供了高精度的细胞图谱,是前额叶皮层发育研究史上的重要突破和重大进展。