中國網/中國發展門戶網訊 （記者王振紅）2023年7月12日23點， Cell期刊線上發表了題為“Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex”的研究論文，該研究成果由中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心（神經科學研究所）與華大生命科學研究院、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心、騰訊AI Lab、深圳國家基因庫、瑞典皇家理工學院、卡羅林斯卡醫學院等單位106人的科研團隊合作完成。

非人靈長類動物，由於進化上的相近，與人類具有95%以上的遺傳物質同源性和最接近的基因背景及表型特徵，是許多神經系統疾病研究最合適甚至是唯一的模型動物。大腦皮層是腦認知功能的高級中樞所在，非人靈長類如獼猴腦皮層的細胞有多少種類型、這些細胞按什麼規律組織在一起等，是國際科學前沿也是各國腦計劃優先佈局的研究熱點。海南大學校長駱清銘院士表示：“這項研究採用了我國自主研發、國際領先的超高精度大視場空間轉錄組測序技術Stereo-seq和高通量單細胞核轉錄組測序技術DNBelab C4 snRNA-seq技術，獲取了最完整的獼猴大腦全皮層的轉錄組數據，構建了獼猴大腦皮層的細胞類型分類樹，成功繪製了三維單細胞空間分佈圖譜，揭示了細胞類型的組成和靈長類腦區層級結構之間的關係。這項工作為進一步理解腦結構和功能提供了重要的基礎數據庫，將有助於理解腦細胞的構成以及腦疾病發生發展的原因，是具有里程碑意義的進展。”

記者了解到，靈長類大腦神經細胞數量巨大，它們相互連接形成了複雜而精細、支撐高級認知和行為的特定神經環路；這些細胞和環路的異常導致了多種腦疾病。大腦由哪些細胞組成、這些細胞的空間分佈有什麼規律，是腦科學的基本問題，其重要性類似於人類基因組計劃完成的DNA鹼基序列。與其他物種相比，靈長類動物具有更高的認知和社會能力，同時具有更大的皮層和更多細胞類型。比如與人類最接近的模式動物-獼猴，其大腦包含超過60億個神經元，根據它們的分子、形態或生理特徵及其空間分佈規律，可以將其分為數百種細胞類型，分佈在數百個不同的腦區中。解析皮層中細胞亞型的組成及其空間分佈規律對於闡明靈長類大腦的組織規律至關重要。

圖1. 總體實驗設計。利用Stereo-seq技術採集了3隻獼猴左半腦的161張厚度為10微米切片的空間轉錄組數據。同時利用顯微切割結合單細胞核轉錄組測序技術了獲得了百萬級別的獼猴大腦皮層單細胞核轉錄組數據。通過單細胞核轉錄組和空間轉錄組整合分析，繪製了食蟹猴大腦全皮層的三維單細胞空間分佈圖譜。

該研究採用Stereo-seq技術，結合大規模的單細胞轉錄組分析，攻關團隊獲得了食蟹猴全皮層的三維單細胞空間分佈圖譜，為系統分析細胞類型在皮層內各層面特異和區域特異的分佈，以及基因表達特徵提供了目前最完整的靈長類大腦數據（圖1）。

圖2. 獼猴大腦皮層細胞類型空間分佈圖譜。(A)數百種細胞類型在獼猴大腦不同位置（上）以及5張典型代表性切片（下）上的空間分佈。（B）多種細胞類型呈現各層面的分佈特異性。（C）五種細胞類型及其特徵基因的空間分佈和表達模式。

團隊發現，大量興奮性神經元、抑制性神經元以及非神經元細胞在大腦皮層中的分佈呈現明顯的各層面及各腦區的特異性。更為有趣的是，視覺和軀體感覺系統的細胞類型組成與腦區層級組織之間存在顯著的相關性，處於相同層級的腦區往往具有類似的細胞類型組成，揭示了細胞組成和腦區結構之間的關係（圖2）。此外，攻關團隊通過與公開發表的人腦和鼠腦的單細胞數據進行跨物種比較，發現靈長類特有的分佈于第四層的興奮性神經元細胞，並且這些細胞高度表達與人類疾病相關的基因，包括FOXP2, DCC以及EPHA3等。

該研究産生了較為完整的世界首套獼猴全腦皮層的單細胞以及空間轉錄組數據，為後續相關研究提供了重要的數據資源庫，現已實現公開共用（圖3）。

圖3. 獼猴大腦皮層細胞類型及基因表達數據庫。

在攻關過程中，團隊跨越多個單位、多個領域，依託中國自主研發的核心技術和大平臺，以有組織的科研攻關模式開展。未來，團隊將繼續在腦疾病機制與靶點研發、腦細胞與腦結構演化、腦功能的細胞分子機制等領域繼續團隊攻關，推動中國在這些領域持續産生原創性、引領性成果。

中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心（神經科學研究所）研究員李澄宇、劉志勇、青年研究員孫怡迪、副研究員沈志明，華大生命科學研究院研究員徐訊、劉龍奇、黎宇翔，臨港實驗室研究員魏武，騰訊AI Lab AI醫療首席科學家姚建華研究員為該論文共同通訊作者。華大生命科學研究院研究員陳奧、副研究員雷瑩、研究員廖莎、碩士研究生朱志勇，中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心青年研究員孫怡迪、單細胞平臺主任李超、博士研究生孟娟、研究員梁智鋒、助理研究員袁妮妮、工程師楊浩，臨港實驗室博士後柏亦沁，中國科學院上海營養與健康所博士研究生劉振，騰訊AI Lab研究員吳子涵為該論文的共同第一作者。