9月27日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了題為Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex的研究論文。該成果由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合杭州華大生命科學(xué)研究院、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、中國(guó)科學(xué)院遺傳進(jìn)化與動(dòng)物模型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、臨港實(shí)驗(yàn)室、華南理工大學(xué)等的科研團(tuán)隊(duì)合作完成。

小腦在運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能中扮演著重要角色。小腦的皮層與新皮層的各種感覺運(yùn)動(dòng)和聯(lián)合區(qū)域具有區(qū)域特異性的功能連接。然而，與大腦皮層相比，小腦皮層各區(qū)域具有相對(duì)統(tǒng)一的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和典型的局部回路，使得細(xì)胞組織如何支撐小腦連接和功能的復(fù)雜性成為重要問題。

近年來(lái)，單細(xì)胞組學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了多個(gè)針對(duì)小腦細(xì)胞構(gòu)成研究工作，但此前對(duì)小腦皮層細(xì)胞的分子和功能多樣性的研究主要基于小鼠小腦。靈長(zhǎng)類動(dòng)物小腦在進(jìn)化過(guò)程中擴(kuò)張，神經(jīng)元數(shù)量增加，認(rèn)知功能更為復(fù)雜。因此，確定是否存在靈長(zhǎng)類特異性細(xì)胞亞型及其獨(dú)特的空間組織形式，對(duì)于探討靈長(zhǎng)類特異性的小腦功能具有重要意義。然而，由于小腦除了占小腦神經(jīng)元數(shù)量99%以上的顆粒細(xì)胞外，多數(shù)細(xì)胞類型難以富集，因而對(duì)整個(gè)靈長(zhǎng)類小腦進(jìn)行單細(xì)胞分辨率的全面空間基因表達(dá)譜分析具有挑戰(zhàn)性。

該研究采用單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)Stereo-seq，分析了小鼠、狨猴和獼猴的小腦。這一方法能夠以約500納米的高空間分辨率和全小腦覆蓋的超大可視面積來(lái)繪制小腦的空間基因表達(dá)譜。研究通過(guò)對(duì)這些物種小腦皮層的細(xì)胞類型進(jìn)行分類，揭示了三個(gè)物種中保守的浦肯野細(xì)胞、顆粒細(xì)胞和分子層中間神經(jīng)元等細(xì)胞類型。研究通過(guò)比較小鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物中每個(gè)細(xì)胞類型的基因表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)，多數(shù)細(xì)胞類型在物種間是保守的，但每個(gè)細(xì)胞類型中的差異表達(dá)基因高度依賴于物種。研究繪制了各個(gè)細(xì)胞類型的空間分布，發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類特異的高爾基神經(jīng)元分布特征。

特別是，科研人員在Stereo-seq數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類特異性的浦肯野細(xì)胞亞型（GRID2-high Purkinje），并通過(guò)RNAscope實(shí)驗(yàn)和人類的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)。進(jìn)一步，研究揭示了GRID2高表達(dá)細(xì)胞在誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程抑制相關(guān)基因表達(dá)方面的差異，以及與其他谷氨酸受體亞基表達(dá)模式的差異。

該團(tuán)隊(duì)收集并分析了清醒小鼠、狨猴以及公開的獼猴的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了小腦皮層內(nèi)的功能連接梯度即“小腦內(nèi)功能梯度”。這些梯度展示了不同小腦區(qū)域之間連接性的三維空間模式。進(jìn)而，研究通過(guò)空間轉(zhuǎn)錄組的三維重建和梯度分析發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)物種中，功能梯度1和轉(zhuǎn)錄組梯度1均顯示出明顯的前后差異，且獼猴和狨猴之間的空間模式相似性高于它們與小鼠之間的相似性。同時(shí)，研究通過(guò)跨物種預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)與小腦內(nèi)功能連接之間的關(guān)系，并確定了與功能梯度相關(guān)的基因。而這些基因在不同物種中的表達(dá)模式和富集的細(xì)胞類型存在差異，這強(qiáng)調(diào)了物種間的分子和功能差異。

該工作構(gòu)建了獼猴、狨猴和小鼠小腦皮層的時(shí)空單細(xì)胞圖譜，描繪了靈長(zhǎng)類特異性浦肯野神經(jīng)元亞型、進(jìn)化保守的神經(jīng)元空間模式和基因表達(dá)的區(qū)域偏好，并建立了轉(zhuǎn)錄組的空間異質(zhì)性與小腦內(nèi)功能連接的緊密關(guān)系。這些數(shù)據(jù)為該領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了全面的資源，揭示了小腦皮層在進(jìn)化過(guò)程中的分子和細(xì)胞多樣化，有助于探索小腦的進(jìn)化和功能。同時(shí)，這一成果對(duì)于推動(dòng)小腦研究的發(fā)展具有重要意義，為進(jìn)一步探究小腦在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用以及相關(guān)疾病的機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)、奠定了理論基礎(chǔ)。

相關(guān)數(shù)據(jù)已在深圳國(guó)家基因庫(kù)公開提交，可在CBMSTA（https://db.cngb.org/stomics/cbmsta/）數(shù)據(jù)庫(kù)交互查看并下載分析。

論文鏈接

小腦皮層的神經(jīng)元構(gòu)成

小腦的跨物種多模態(tài)圖譜

靈長(zhǎng)類特異的浦肯野神經(jīng)元亞型

研究發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類特異的浦肯野細(xì)胞亞型和基因表達(dá)模式，以及與小腦內(nèi)各區(qū)域間功能連接的顯著相關(guān)性