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王晓群课题组与北京大学和首都医科大学合作共同绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱
2018-03-15 | 【     】【打印】【关闭

    2018年3月14日,中科院生物物理研究所王晓群课题组和北京大学未来基因诊断高精尖创新中心汤富酬课题组,携手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,共同在Nature上在线发表题为“Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex”的研究论文。该工作绘制了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。

  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,大脑容量增加了三倍,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。

  在该研究中,研究人员通过单细胞转录组测序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。

  研究人员还发现中间前体细胞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。

  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。

  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。

  中国科学院生物物理研究所王晓群研究员、北京大学第三医院乔杰院士、北京大学汤富酬研究员和首都医科大学附属安贞医院张军教授同为本文的共同通讯作者,中国科学院生物物理所和北京大学的研究人员博士生钟穗娟、博士生张书、范晓英博士、吴倩博士和闫丽盈博士为本文共同第一作者。本研究得到科技部973项目,中科院先导专项、国家自然科学基金等项目的资助。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/nature25980

   

  Monocle分析解释人前额叶皮层发育的细胞谱系图

   

 

  供稿:中科院生物物理所王晓群课题组

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