9月27日，?Science期刊在線發(fā)表了題為“Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex?” 的研究論文，該研究成果由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）聯(lián)合杭州華大生命科學(xué)研究院、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、中國(guó)科學(xué)院遺傳進(jìn)化與動(dòng)物模型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、臨港實(shí)驗(yàn)室、華南理工大學(xué)、騰訊AI Lab等單位80多人的科研團(tuán)隊(duì)合作完成。

小腦在運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能中扮演著至關(guān)重要的角色，其皮層與新皮層的各種感覺運(yùn)動(dòng)和聯(lián)合區(qū)域具有區(qū)域特異性的功能連接。然而，與大腦皮層相比，小腦皮層各區(qū)域具有相對(duì)統(tǒng)一的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和典型的局部回路，這使得細(xì)胞組織如何支撐小腦連接和功能的復(fù)雜性成為一個(gè)重要問題。

圖一：小腦皮層的神經(jīng)元構(gòu)成

近年來(lái)，單細(xì)胞組學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了多個(gè)針對(duì)小腦細(xì)胞構(gòu)成研究的開展，但此前對(duì)小腦皮層細(xì)胞的分子和功能多樣性的研究主要基于小鼠小腦。靈長(zhǎng)類動(dòng)物小腦在進(jìn)化過程中顯著擴(kuò)張，神經(jīng)元數(shù)量增加，認(rèn)知功能更為復(fù)雜，因此確定是否存在靈長(zhǎng)類特異性細(xì)胞亞型及其獨(dú)特的空間組織形式，對(duì)于研究靈長(zhǎng)類特異性的小腦功能具有重要意義。然而，由于小腦除了占小腦神經(jīng)元數(shù)量99%以上的顆粒細(xì)胞外，大多數(shù)細(xì)胞類型難以富集，因此對(duì)整個(gè)靈長(zhǎng)類小腦進(jìn)行單細(xì)胞分辨率的全面空間基因表達(dá)譜分析一直具有挑戰(zhàn)性。

在本研究中，科學(xué)家們采用了華大生命科學(xué)研究院發(fā)明的單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)Stereo-seq，對(duì)小鼠、狨猴和獼猴的小腦進(jìn)行了分析。該方法能夠以約500納米的高空間分辨率和全小腦覆蓋的超大可視面積來(lái)繪制小腦的空間基因表達(dá)譜。通過對(duì)這些物種小腦皮層的細(xì)胞類型進(jìn)行分類，研究人員揭示了三個(gè)物種中保守的浦肯野細(xì)胞、顆粒細(xì)胞和分子層中間神經(jīng)元等細(xì)胞類型。通過比較小鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物中每個(gè)細(xì)胞類型的基因表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細(xì)胞類型在物種間是保守的，但每個(gè)細(xì)胞類型中的差異表達(dá)基因高度依賴于物種。通過繪制各個(gè)細(xì)胞類型的空間分布，研究人員發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類特異的高爾基神經(jīng)元分布特征。

圖二：小腦的跨物種多模態(tài)圖譜

特別值得注意的是，研究人員在Stereo-seq數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類特異性的浦肯野細(xì)胞亞型（GRID2-high Purkinje），并通過RNAscope實(shí)驗(yàn)和人類的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)。進(jìn)一步的研究還揭示了GRID2高表達(dá)細(xì)胞在誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）相關(guān)基因表達(dá)方面的顯著差異，以及與其他谷氨酸受體亞基表達(dá)模式的差異。

圖三：靈長(zhǎng)類特異的浦肯野神經(jīng)元亞型

通過收集和分析清醒小鼠、狨猴以及公開的獼猴的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了小腦皮層內(nèi)的功能連接梯度，即“小腦內(nèi)功能梯度”。這些梯度展示了不同小腦區(qū)域之間連接性的三維空間模式。通過實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)錄組的三維重建和梯度分析，研究人員近一步發(fā)現(xiàn)，在所有三個(gè)物種中，功能梯度1和轉(zhuǎn)錄組梯度1都顯示出明顯的前后差異，且獼猴和狨猴之間的空間模式相似性高于它們與小鼠之間的相似性。此外，通過跨物種預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)與小腦內(nèi)功能連接之間的密切關(guān)系，并且確定了與功能梯度相關(guān)的基因。這些基因在不同物種中的表達(dá)模式和富集的細(xì)胞類型存在差異，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了物種間的分子和功能差異。

圖四：本研究的重要發(fā)現(xiàn)

綜上所述，本研究構(gòu)建了獼猴、狨猴和小鼠小腦皮層的時(shí)空單細(xì)胞圖譜，描繪了靈長(zhǎng)類特異性浦肯野神經(jīng)元亞型、進(jìn)化保守的神經(jīng)元空間模式和基因表達(dá)的區(qū)域偏好，并建立了轉(zhuǎn)錄組的空間異質(zhì)性與小腦內(nèi)功能連接的緊密關(guān)系。這些數(shù)據(jù)為該領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了全面的資源，揭示了小腦皮層在進(jìn)化過程中的分子和細(xì)胞多樣化，有助于深入理解小腦的進(jìn)化和功能。

該研究成果已在線發(fā)表，相關(guān)數(shù)據(jù)已在深圳國(guó)家基因庫(kù)公開提交，可在CBMSTA（https://db.cngb.org/stomics/cbmsta/）數(shù)據(jù)庫(kù)交互查看并下載分析。

這一研究成果對(duì)于推動(dòng)小腦研究的發(fā)展具有重要意義，為進(jìn)一步探索小腦在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用以及相關(guān)疾病的機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）研究員劉賜融、孫怡迪、劉志勇、沈志明，杭州華大生命科學(xué)研究院研究員劉石平、劉龍奇，鹿特丹伊拉斯姆斯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系Chris I. De Zeeuw教授為該論文共同通訊作者。杭州華大生命科學(xué)研究院副研究員郝世杰、聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生黃智、吳言，腦智卓越中心聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生朱曉嘉、楊倩倩、博士后研究員詹亞峰、董宇、單細(xì)胞平臺(tái)主任李超、研究助理劉合安為該論文的共同第一作者。單細(xì)胞分型、光學(xué)平臺(tái)提供了重要的技術(shù)支撐。