汤富酬研究组与合作者首次绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱揭示神经元的分化成熟机制

大脑是人体中最复杂的器官，其复杂性远远超出了我们当前的熟悉能力。其中，人脑前额叶皮层是人类大脑高级功能的关键组成部分，参与记忆形成、短期储存以及调取功能、语言功能、情绪的调节等功能。要理解人脑是怎样工作的，一个必备的基础是细致精准的人类大脑“细胞类型图谱”。至今我们对于人脑的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题目知之甚少。

2018年3月14日，北京大学北京将来基因诊断高精尖创新中间、生命科学学院生物动态光学成像中间汤富酬研究组与中国科学院生物物理研究所王晓群研究组，携手北京大学第三医院乔杰研究组和首都医科大学附属安贞医院张军研究组联合在国际闻名学术期刊Nature上在线发表了题为“A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章。该研究行使单细胞转录组测序手段，绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱，解析了人类胚胎大脑前额叶发育的细胞类型多样性及不同细胞类型之间的发育关系，揭示了神经元产生和环路形成的分子调控机制，并对其中关键的细胞类型进行了体系的功能研究，为绘制最终完备的人脑细胞图谱奠定了紧张的基础。

人脑前额叶细胞发育图示

这项研究发现，在动态发育的人类胚胎前额叶皮层中，重要由神经干细胞、愉快性神经元、克制性神经元、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。这六大类细胞可以进一步地划分为35个自力的细胞亚型，存在各自关键的基因表达特性及紧张生物学含义，为将来对这些细胞类型的后续研究提供了高精度无偏的分子图谱。该研究行使拟时间等算法重构了这些神经细胞类型之间的发育谱系关系，发如今前额叶皮层中的神经干细胞是一个具有高度复杂的异质性的功能细胞群体，在不同的胚胎发育阶段分别分化成神经元细胞、星型胶质细胞和少突胶质细胞。通过更深入的功能分析，研究人员发现了与神经干细胞对称分裂、神经元发生、胶质细胞发生这三个紧张神经发育事件密切相干的一系列关键基因表达特性，并进行了深入、体系的实验验证。

在人类神经干细胞的研究中，虽然近些年来重要研究集中在RG细胞或oRG细胞上，但是中心前体细胞IPC对于神经发生、分外是灵长类动物的神经发生同样起偏重要的作用。通过体系的数据分析和多条理的实验验证，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重要由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，数量重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、功能雄厚的前额叶皮层。

前额叶皮层神经元产生的两个关键爆发期

在前额叶皮层中起着尤为关键作用的是浩繁的神经元细胞，在曩昔的熟悉中，我们只知道绝大部分的复活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详细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体系分析和深度发掘，首次揭示了在人类大脑前额叶皮层发育过程复兴奋性神经元生成、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复活神经元同时伴随着复活神经元的迁移阶段；（三）19-26周，神经元开始渐渐成熟，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特别很是紧张的阶段，王晓群研究组行使电心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，发如今前额叶皮层中许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。

人类前额叶皮层细胞生成及分化、功能产生的发育时间

另外，该研究也对于脑发育领域内一向存在分歧的题目进行了探索。例如，对于克制性神经元是否能在皮层中原位产生的题目曩昔一向是众口纷纭，一种观点认为皮层的克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克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，发如今早期的前额叶皮层中已经存在少量的克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，很可能临时并不具备分裂生成神经元的活性。同时，转录组数据分析也注解，前额叶皮层复兴奋性神经元的成熟要早于克制性神经元。

前额叶皮层的细胞组成是其形成神经网络、实行复杂、雄厚功能的生物学基础，该项研究通过高精度的单细胞转录组测序、结合体系的生物信息学分析和深度数据发掘，对人类前额叶皮层发育的细胞和分子机制进行了深入、精准的探索和分析，为解答前额叶皮层如何参与“思考和思想形成”这一关键题目的后续研究提供了高精度的细胞图谱，是前额叶皮层发育研究史上的紧张突破和庞大进展。

生命科学学院2015级博士生张书、博士后范小英与中科院生物物理所2014级博士生钟穗娟、副研究员吴倩以及北医三院闫丽盈博士为本文共同第一作者，王晓群教授、乔杰教授、汤富酬教授及张军教授为共同通信作者。此项工作得到了国家天然科学基金委、科技部和将来基因诊断高精尖创新中间的支撑。

编辑：山石