生物物理所等绘制出人脑前额叶发育的单细胞图谱

近日，中国科学院生物物理研究所王晓群课题组、北京大学未来基因诊断高精尖创新中心汤富酬课题组、北京大学第三医院乔杰课题组和首都医科大学附属安贞医院张军课题组合作，绘制出人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱，并对其中关键的细胞类型进行了系统功能研究，为绘制完整的人脑细胞图谱奠定重要基础。相关研究成果以Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex为题发表在《自然》上。

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。伴随着从灵长类祖先进化到现代人类的过程，人类大脑容量增加了三倍，并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，具有极复杂且广泛的神经分布和双向联系，例如前额叶皮层与丘脑、尾状核、苍白球、杏仁核、海马之间有着丰富的直接联系，并通过这些结构与下丘脑和中脑之间实现间接的神经联系，而这些神经联系也是前额叶皮层多种生理心理功能的重要生物学基础。然而，当前研究对“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”等脑科学问题知之甚少。

在该研究中，研究人员通过单细胞转录组测序发现，动态发育的人类胚胎前额叶皮层主要由神经干细胞、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划分为35个独立的细胞亚型，深入挖掘了各个细胞类型关键基因表达特征及其重要生物学含义。研究发现，中间前体细胞IPC对神经发生，特别是灵长类动物的神经发生同样起着重要作用。经过系统数据分析和多层次实验验证，研究提出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，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，IPC由oRG大量产生。正是通过IPC在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，进而形成结构复杂、功能丰富的前额叶皮层。

在前额叶皮层中起着尤为关键作用的是众多神经元细胞。绝大部分新生神经元在人类胎儿出生前就已经开始分化和迁移，但当前研究对这些关键神经发育事件的具体发生时间并不清晰。通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘，研究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：8-12周，神经干细胞大量增殖阶段；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；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功能研究，发现在前额叶皮层中很多神经元已具备正常发放钠钾电流的能力，深层脑区神经元已具备发放EPSC和IPSC等功能。

此外，该研究也对脑发育领域内一直存在分歧的问题进行了探索。例如抑制性神经元是否能在皮层中原位产生的问题，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），并迁移到皮层；另一种观点认为，有少量抑制性神经元可能是皮层自身原位产生。在该研究中，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，在早期前额叶皮层中已存在少量抑制性神经元的前体细胞，但这部分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。

王晓群、乔杰、汤富酬、张军为该研究论文的共同通讯作者，博士研究生钟穗娟、张书，博士范晓英、吴倩、闫丽盈为共同第一作者。该研究得到了国家重点基础研究发展计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等的资助。