作为人类最复杂的器官，脑在解剖学上被划分为不同的区域，包括端脑（主要由新皮层（Cor）构成），间脑（Dien），中脑（Mid）以及小脑（Cere）等。这些不同脑区具有特殊的输入输出连接，发挥各种重要的功能。在人脑发育过程中，通过内在基因程序产生了复杂的细胞类型。在这些细胞类型中，有些已经有了明确的特征，但还有许多尚待清晰描述。因此，在人类脑区逐渐特化的发育过程中，脑细胞类型的变化特征和空间分布特点需要进行全面、系统的研究。
近几年，多篇单细胞转录组学研究探索了人脑特定区域以及发育早期的多个区域，同时极少的空间组学研究聚焦于发育早期孕6周（gastrulation week 6，GW6）左右单个时间点的人脑空间图谱。然而，目前还缺乏对脑发育后期连续时间点的高分辨率空间研究。考虑到人脑体积在发育过程中的急速扩张，这对于探索人脑的发育，特别是区域特化研究提出了巨大的挑战。
2023年12月12日，中国科学院动物研究所焦建伟研究组、广州国家实验室董骥研究组、北京大学杜鹏研究组和北京大学靳蕾研究组合作在Cell杂志在线发表了题为Spatiotemporal transcriptome atlas reveals the regional specification of the developing human brain的文章。该研究将单细胞测序（scRNA-seq）和华大单细胞空间转录组技术（scStereo-seq）相结合，首次解析了迄今为止跨时间点最广（GW6-GW23）、面积最大（最大4cm x 3cm）的人脑多区域时空发育转录组图谱。该研究鉴定并呈现了发育早期具有特定空间分布特点的异质性放射状胶质细胞亚型，揭示了这些异质性放射状胶质细胞有助于随后不同脑区神经元的特化，同时发现胶质细胞和神经元互作也会促进神经元的区域特化。
利用10x Genomics单细胞测序技术scRNA-seq，作者绘制了来自人类胚胎不同脑区，包括Cor、Dien、Mid、Cere在内，多个发育时间点（GW6、GW8、GW10、GW12、GW14、GW16和GW23）的单细胞转录组图谱 （共228,047个细胞）。根据经典的标记基因，鉴定出神经前体细胞、谷氨酸能神经元、GABA能神经元、少突胶质细胞前体细胞、星形胶质细胞前体细胞神经外胚层来源的主要细胞类型，以及中胚层来源的细胞类型（如内皮细胞，周皮细胞和小胶质细胞）等。同时，作者使用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，对人脑多个发育时间点（GW6、GW8、GW10、GW12和GW16）进行空间转录组测序。通过可视化主要细胞类型的空间分布，本文揭示了发育中人脑不同脑区由不同细胞类型组成的有序分布模式 。为了理解人脑中神经前体细胞（NPC）的分子异质性，研究人员用经典标记基因将神经前体细胞重新分为五个亚类，包括放射状胶质细胞（RG）、Cor特异的中间祖细胞（IPC）、Cere特异的颗粒细胞前体（GCP）、前体1（Prec1）和前体2（Prec2）。在五个NPC亚型中，RG最先出现，且在该阶段已表现出明显的区域异质性，其中研究人员发现转录因子TFAP2C特异性在人大脑皮层RG中表达并能够决定大脑RG细胞的命运。接着，研究人员将各脑区的RG细胞进一步分群并观察空间分布特点。Cor RG分为oRG和vRG，空间可视化后发现oRG在额叶（FL）的比例明显高于枕叶 (OL); 研究人员将Dien RG分为Dien RG-1和Dien RG-2，其中Dien RG-1高表达DLX1、DLX2，而Dien RG-2高表达TPBG，且发现Dien RG-1主要分布在Dien腹侧，而Dien RG-2主要分布在Dien背侧；对于Mid RG, 除了Mid RG-4已有研究报导，其他5个亚型均是本研究首次鉴定且均具有独特的空间分布特点。Cere RG分为4个亚型：菱形唇 (RL)-RG, 脑室区 (VZ)-RG, 伯明翰胶质细胞 (B glia), 以及脑干RG。其中VZ-RG（GABA能神经元的起源）在GW8和GW10时已经很明显，而RL-RG（兴奋性神经元的来源）在GW10时开始增加，表明小脑不同起源神经元的发育时间差异。空间可视化不仅展示了RG亚型的空间分布，而且为后期神经元区域特化提供了关键线索。为了研究发育中人脑各区域神经元的时空动力学特征，根据差异表达基因，研究人员将62,520个谷氨酸能神经元和59,062个GABA能神经元分别进一步分为17个和20个亚群，并将其中主要亚群映射到空间中。这些神经元亚群表现出明显的区域异质性和相似性（如发现Cor和Dien的GABA能神经元亚群是高度相似的）。同时，本研究还揭示了Dien谷氨酸能神经元和GABA能神经元亚型存在显著的背腹侧分布差异。另外，研究人员将Cor兴奋性神经元进一步细分为迁移神经元，上层神经元以及深层神经元的多个亚型。通过可视化这些亚型，实现了在更广的时间窗（GW8-GW16）内观察它们的时空变化特点。这些研究结果揭示了发育中的人脑神经元亚型的时空动态变化和区域多样性。为了探索人脑不同区域特定神经元亚群的发育路径，研究人员通过结合scRNA-seq和scStereo-seq数据，计算并重建了每个区域特定神经元亚群的时空发育轨迹。其中，有趣的是，作者发现Dien RG-1趋向于向LHX6+ GABA能神经元发育，而Dien RG-2趋向于向谷氨酸能神经元发展。同时，空间可视化结果显示，Dien RG-1和LHX6+ GABA能神经元主要位于Dien腹侧，而Dien RG-2和Dien谷氨酸能神经元主要亚群（Glu-3）均主要位于Dien背侧，这进一步验证了单细胞数据分析的结果。上述研究结果有助于更好地理解异质性RG细胞如何对神经元的区域特化做出贡献。根据差异表达基因和经典标记基因，研究人员接着将GW6-GW23期间不同脑区的少突胶质细胞前体细胞（OPC）和星形胶质细胞前体细胞（APC）分别分为六种和五种亚型，通过比较分析发现它们的脑区分子异质性相对较小，但是，进一步观察发现这些亚型存在显著的空间分布偏好。例如，研究人员发现在GW16时，Dien腹侧中OPC和APC亚型的比例都高于Dien背侧。通过受配体分析发现，这些空间偏好性的分布有助于促进神经元区域特化。
综上所述，此项研究通过结合单细胞转录组和空间转录组首次刻画多时间点、超大面积的人脑多个区域时空发育转录组图谱，为了解人脑发育、神经元的区域特化和相关疾病提供了宝贵的资源，这一突破为助力治疗脑疾病提供了线索。同时，值得注意的是，这项研究标志着在激烈的国际竞争中，中国科学家在人脑空间组学研究领域挤进世界第一梯队。
中国科学院动物研究所焦建伟研究员、广州国家实验室董骥研究员、北京大学杜鹏研究员和北京大学靳蕾副研究员为本文共同通讯作者。中国科学院动物研究所博士后李妍昕、博士后李忠秋、广州国家实验室助理研究员王长亮、北京大学生命科学学院毕业博士生杨敏为本文的共同第一作者。王雁玲研究团队参与了项目协作。研究获得了国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院先导等项目的资助。
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.016
人脑时空发育图谱分析概览
