撰文 | 蘇怡汀
大腦是負(fù)責(zé)與外界刺激交互的中樞指揮官，它起源于端腦（telecephalon）的大腦皮質(zhì)（pallium）部分。在發(fā)育過程中，大腦皮質(zhì)的中間部分發(fā)育成了海馬結(jié)構(gòu)（也成為古腦皮層，archicortex），腹側(cè)部分發(fā)育成了嗅皮層（也稱為原腦皮層，paleocortex），背側(cè)部分則發(fā)育成了新皮層（isocortex/neocortex）。
從名字上看你也能猜到，嗅皮層所屬的原腦皮層是最古老的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫h(yuǎn)古時代的動物嗅覺是最重要的感覺。而古腦皮層包含的海馬區(qū)，主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)與記憶，空間感知和情緒等等。新皮層是哺乳動物的專利，負(fù)責(zé)整合從低級到高級的各種感覺、運(yùn)動信息，促進(jìn)大腦各個模塊的通訊交流。當(dāng)然，不論是何種皮層，它的神經(jīng)細(xì)胞組成都主要包括谷氨酸能興奮性（glutamatergic excitatory）神經(jīng)元和氨基丁酸抑制性（GABAergic inhibitory）神經(jīng)元兩大類，前者主要負(fù)責(zé)長距離投射構(gòu)成層級網(wǎng)絡(luò)，后者則主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)小范圍內(nèi)神經(jīng)元的放電和連接。
有一個問題是，如果新古皮層在進(jìn)化上有先后，這兩種細(xì)胞在兩個皮層上的構(gòu)成會不會也有相似和不同呢？要回答這個問題，需要系統(tǒng)性地繪制出各個皮層每一個細(xì)胞種類的轉(zhuǎn)錄組圖譜，并結(jié)合各種細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)在各個皮層位置一一比較，無疑是一項(xiàng)宏大的工程。
近日，來自Allan Institute的Hongkui Zeng團(tuán)隊(duì)在Cell雜志上發(fā)表研究A taxonomy of transcriptomic cell types across the isocortex and hippocampal formation。他們對新皮層和海馬結(jié)構(gòu)中超過130萬個細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞測序分析，這樣的規(guī)模幾乎涵蓋了所有新皮層和古腦皮層的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的興奮性細(xì)胞在分子構(gòu)成上有很多相似之處，并且新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的細(xì)胞都在分布上呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，這一成果為今后的功能研究打下了基礎(chǔ)。
研究人員將新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的所有區(qū)域分離出來，在富集到神經(jīng)細(xì)胞以后，他們對這些細(xì)胞進(jìn)行了大規(guī)模的單細(xì)胞測序。接著，他們將所得細(xì)胞按基因差異表達(dá)細(xì)分成不同種類，得到了共計(jì)388個細(xì)胞類型。最后，研究人員通過信息降維分析和分類樹構(gòu)造分析，為這130萬個細(xì)胞繪制出了精細(xì)的細(xì)胞間表達(dá)關(guān)系圖譜。從這些圖中，我們可以清晰地看到細(xì)胞之間連續(xù)和離散的基因表達(dá)變化。
研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：
一、谷氨酸能興奮性神經(jīng)元（glutamatergic neuron）的細(xì)胞種類在分子成分和空間構(gòu)成方面都比氨基丁酸抑制性神經(jīng)細(xì)胞（GABAergic neuron）要更多元。研究人員在興奮性神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了28個亞類（subclass），56個超類（supertype），和241個細(xì)胞團(tuán)（cluster），而在抑制性神經(jīng)元中只發(fā)現(xiàn)了6個亞類，30個超類，和119個細(xì)胞團(tuán)。但無論是興奮性還是抑制性細(xì)胞，它們都有同樣的特點(diǎn)：有些類別只在特定的位置表達(dá)，而其他類別則廣泛地在其他位置表達(dá)。
二、對于氨基丁酸抑制性神經(jīng)元來說，絕大部分種類在海馬結(jié)構(gòu)和新皮層結(jié)構(gòu)都有表達(dá)，但研究人員也發(fā)現(xiàn)了特異性在海馬結(jié)構(gòu)表達(dá)的細(xì)胞類群，比如一種標(biāo)志基因?yàn)?span style="max-width: 100%;font-weight: 700;">Ntf3和Sntb1的小清蛋白吊燈細(xì)胞團(tuán)（Pvalb chandelier cell cluster）等等。同樣的，谷氨酸能興奮性神經(jīng)元在新皮層的前扣帶（anterior cingulate，ACA）區(qū)域和壓后（retrosplenial，RSP）區(qū)域也有少量特異性表達(dá)的細(xì)胞類型。
三、谷氨酸能興奮性神經(jīng)元絕大多數(shù)的細(xì)胞類群在不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域中都有表達(dá)。這些興奮性神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)沿著一定的方向軸呈現(xiàn)連續(xù)、階梯型的分布特征?？傮w來說，前-后軸的基因階梯型表達(dá)更連續(xù)，而內(nèi)-外側(cè)軸的階梯型表達(dá)則更離散。比如新皮層的下顳葉（inferior temporal， IT）神經(jīng)元在新皮層第二/三層（L2/3）到第六層（L6）呈連續(xù)分布，海馬下托區(qū)域（subiculum）的興奮性神經(jīng)元則沿著遠(yuǎn)-近、背-腹、淺-深三個軸都呈現(xiàn)連續(xù)變化的細(xì)胞分布。
四、如果比較新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的谷氨酸能興奮性神經(jīng)元圖譜，則可以發(fā)現(xiàn)兩個皮層之間有很多同源的細(xì)胞類別，這些同源的細(xì)胞類別在基因分布上十分相似，并且擁有共同的標(biāo)志性基因。比如在海馬下托（subiculum，SUB），副下托（prosubiculum，ProS）和CA1結(jié)構(gòu)的大部分細(xì)胞都與新皮層的錐體束（pyramidal tract，PT）細(xì)胞同源等等。這意味著，如果海馬結(jié)構(gòu)和新皮層結(jié)構(gòu)在分子和結(jié)構(gòu)上的同源，很可能兩者在細(xì)胞間連接上也有相似之處。
五、這一成年轉(zhuǎn)錄組圖譜可以反映出神經(jīng)細(xì)胞早期發(fā)育的痕跡。比如興奮性細(xì)胞在腦室/腦室下區(qū)（VZ/SVZ）出生，它們在出生地就已經(jīng)有了區(qū)域性或連續(xù)性的基因表達(dá)，很早形成了原始的發(fā)育地圖，所以研究人員只需要興奮性神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組信息，就能分辨出它們屬于哪一個腦區(qū)位置。而抑制性神經(jīng)元起源于下皮質(zhì)（subpallium）的中央節(jié)狀隆突（MGE）和尾側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起（CGE），它們后期才通過切向遷移（tangential migration）的方式將所有皮層區(qū)域“填滿”，所以這些神經(jīng)元細(xì)胞沒有明顯的腦區(qū)特異性。這一發(fā)育現(xiàn)象可能解釋了本研究的發(fā)現(xiàn)：興奮性神經(jīng)元在不同區(qū)域有更多元的細(xì)胞種類，而抑制性神經(jīng)元則在各個區(qū)域的種類表達(dá)大致相似。
總之，大腦是一個無比復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。關(guān)于它，我們知道有哪些不知道，但也可能依然不知道有哪些不知道。本項(xiàng)研究為新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的深入研究提供了大量的信息，為我們今后了解大腦的發(fā)育，進(jìn)化，連接，功能提供了重要的依據(jù)，是一塊尚未被完全挖掘的寶藏。
