大腦是人體中復(fù)雜的器官，其復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們當(dāng)前的認(rèn)識(shí)能力。其中，人腦前額葉皮層是人類大腦功能的關(guān)鍵組成部分，參與記憶形成、短期儲(chǔ)存以及調(diào)取功能、語言功能、情緒的調(diào)節(jié)等功能。
要理解人腦是怎樣工作的，一個(gè)常備的基礎(chǔ)是詳細(xì)準(zhǔn)確的人類大腦“細(xì)胞類型圖譜”。至今我們對(duì)于人腦的前額葉到底由哪些細(xì)胞組成，這些細(xì)胞又是如何在胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生的”這些關(guān)鍵的腦科學(xué)問題知之甚少。
2018年3月14日，北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組與中國科學(xué)院生物物理研究所王曉群研究組，攜手北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探苎芯拷M和首都醫(yī)科大學(xué)附屬安貞醫(yī)院張軍研究組聯(lián)合在 Nature 上在線發(fā)表了題為“A Single-cell RNA-Seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。
該研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序手段，繪制了人腦前額葉胚胎發(fā)育過程的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，解析了人類胚胎大腦前額葉發(fā)育的細(xì)胞類型多樣性及不同細(xì)胞類型之間的發(fā)育關(guān)系，揭示了神經(jīng)元產(chǎn)生和環(huán)路形成的分子調(diào)控機(jī)制，并對(duì)其中關(guān)鍵的細(xì)胞類型進(jìn)行了系統(tǒng)的功能研究，為繪制完整的人腦細(xì)胞圖譜，奠定了重要的基礎(chǔ)。
人腦前額葉細(xì)胞發(fā)育圖示
這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層中，主要由神經(jīng)干細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞等六大類細(xì)胞組成。
這六大類細(xì)胞可以進(jìn)一步地劃分為35個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞亞型，存在各自關(guān)鍵的基因表達(dá)特征及重要生物學(xué)含義，為未來對(duì)這些細(xì)胞類型的后續(xù)研究提供了高精度無偏的分子圖譜。
該研究利用擬時(shí)間等算法重構(gòu)了這些神經(jīng)細(xì)胞類型之間的發(fā)育譜系關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中的神經(jīng)干細(xì)胞是一個(gè)具有高度復(fù)雜的異質(zhì)性的功能細(xì)胞群體，在不同的胚胎發(fā)育階段分別分化成神經(jīng)元細(xì)胞、星型膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。
通過更深入的功能分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了與神經(jīng)干細(xì)胞對(duì)稱分裂、神經(jīng)元發(fā)生、膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生這三個(gè)重要神經(jīng)發(fā)育事件密切相關(guān)的一系列關(guān)鍵基因表達(dá)特征，并進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
在人類神經(jīng)干細(xì)胞的研究中，雖然近些年來主要研究集中在RG細(xì)胞或oRG細(xì)胞上，但是中間前體細(xì)胞IPC對(duì)于神經(jīng)發(fā)生、特別是靈長(zhǎng)類動(dòng)物的神經(jīng)發(fā)生同樣起著重要的作用。
通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和多層次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員提出IPC的產(chǎn)生具有兩個(gè)關(guān)鍵爆發(fā)期，一個(gè)是在胚胎發(fā)育10周左右，這些IPC主要由RG大量產(chǎn)生，而另一個(gè)峰值則發(fā)生在胚胎發(fā)育16周左右，這些IPC由oRG大量產(chǎn)生。
正是通過IPC的這兩個(gè)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(shí)期內(nèi)快速生成，并形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能豐富的前額葉皮層。
前額葉皮層神經(jīng)元產(chǎn)生的兩個(gè)關(guān)鍵爆發(fā)期
在前額葉皮層中起著尤為關(guān)鍵作用的是眾多的神經(jīng)元細(xì)胞，在過去的認(rèn)識(shí)中，我們只知道絕大部分的新生神經(jīng)元在人類胎兒出生前已經(jīng)開始分化和遷移，但對(duì)這些關(guān)鍵的神經(jīng)發(fā)育事件的具體發(fā)生時(shí)間卻知之甚少。
研究人員通過對(duì)神經(jīng)元單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和深度挖掘，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(gè)關(guān)鍵階段：(一)8-12周神經(jīng)干細(xì)胞大量增殖階段;(二)13-16周神經(jīng)干細(xì)胞分化并大量產(chǎn)生新生神經(jīng)元同時(shí)伴隨著新生神經(jīng)元的遷移階段;(三)19-26周，神經(jīng)元開始逐漸成熟，表達(dá)關(guān)鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段。
神經(jīng)元細(xì)胞形成具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程是大腦發(fā)育的一個(gè)非常重要的階段，王曉群課題組利用電生理等手段對(duì)人類圍產(chǎn)期26周的前額葉皮層進(jìn)行了深入的功能研究，發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中很多神經(jīng)元已經(jīng)具備了正常發(fā)放鈉鉀電流的能力，在深層腦區(qū)的神經(jīng)元更是具備了發(fā)放EPSC和IPSC等功能。
人類前額葉皮層細(xì)胞生成及分化、功能產(chǎn)生的發(fā)育時(shí)間
另外，該研究也對(duì)于腦發(fā)育領(lǐng)域內(nèi)一直存在分歧的問題進(jìn)行了探索。
例如，對(duì)于抑制性神經(jīng)元是否能在皮層中原位產(chǎn)生的問題過去一直是眾說紛紜，一種觀點(diǎn)認(rèn)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)，并進(jìn)而遷移到皮層;而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為有少量的抑制性神經(jīng)元可能是皮層自身原位產(chǎn)生的。
為了解開這個(gè)謎題，研究人員通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和免疫染色等技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)在早期的前額葉皮層中已經(jīng)存在少量的抑制性神經(jīng)元的前體細(xì)胞，但這部分的前體細(xì)胞大多數(shù)處于細(xì)胞周期的靜息期，很可能暫時(shí)并不具備分裂生成神經(jīng)元的活性。同時(shí)，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。
前額葉皮層的細(xì)胞組成是其形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行復(fù)雜、豐富功能的生物學(xué)基礎(chǔ)，該項(xiàng)研究通過高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、結(jié)合系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析和深度數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)人類前額葉皮層發(fā)育的細(xì)胞和分子機(jī)制進(jìn)行了深入、準(zhǔn)確的探索和分析，為解答前額葉皮層如何參與“思考和思想形成”這一關(guān)鍵問題的后續(xù)研究提供了高精度的細(xì)胞圖譜，是前額葉皮層發(fā)育研究史上的重要突破和重大進(jìn)展。
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