灵长类动物大脑皮层有哪些类型的细胞？如何排列分布？对人类研究阿尔兹海默症等大脑疾病将有什么启示？7月12日晚，由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称“脑智卓越中心”）领衔的科研团队，在国际学术期刊《细胞》发表题为“单细胞空间转录组揭示猕猴大脑皮层的细胞类型组成及分布规律”的研究论文，回答了上述问题。

　　这项研究利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术和高通量单细胞核转录组测序技术，成功绘制了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，并揭示了细胞类型组成和灵长类脑区层级结构之间的关系，为进一步研究各类神经元之间的连接提供了分子细胞基础。

　　总体实验设计。利用Stereo-seq技术采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米切片的空间转录组数据。同时利用显微切割结合单细胞核转录组测序技术获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞核转录组数据。通过单细胞核转录组和空间转录组整合分析，绘制了猕猴大脑全皮层的三维单细胞空间分布图谱。 

　　自主研发新技术提供支撑，介观联接图谱梦想起飞 

　　为什么要绘制大脑图谱？脑智卓越中心李澄宇研究员表示，大脑由哪些细胞组成、这些细胞的空间分布有什么规律，是脑科学的基本问题，其重要性好比人类基因组计划完成的DNA碱基序列、化学的元素周期表。大脑图谱包括细胞图谱、连接图谱和功能图谱，解析大脑里的细胞类型及分布的是细胞图谱；这些细胞连接而形成网络，把网络绘制出来的就是连接图谱；剖析这些连接如何工作，则是功能图谱。“研究大脑图谱不仅可以帮助我们认识大脑疾病的机理，还能解析大脑功能原理，启发下一代类脑人工智能。”

　　理解大脑有多难？脑智卓越中心副主任孙衍刚研究员以斑马鱼、小鼠、猕猴三种模式物种为例进行说明，斑马鱼约有10万个脑细胞，小鼠约有7000万个脑细胞，与人类最接近的猕猴约有60亿个神经元，即便是在该领域研究领先的美国，也只是完成了小鼠运动皮层细胞的分布图谱，小鼠其他脑区尚未完全搞清楚。要将数以亿计的脑细胞及其工作原理解析清楚，需要全世界一代又一代的科学家共同努力，才能完成这项浩大工程。

　　2021年，脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士持续推进上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”，集结了脑智卓越中心、华大生命科学研究院、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI Lab、深圳国家基因库、瑞典皇家理工学院、卡罗林斯卡医学院等国内外17家科研单位106人的科研团队合作。

　　其实早在2017年，脑智卓越中心就开始建立猕猴的脑图谱研究课题，但因为技术限制一直无法研究大尺寸脑切片的细胞空间图谱，无法完成猕猴脑细胞全脑分布图谱的绘制。

　　蒲慕明院士对全脑介观神经联接图谱项目有一个形象描述：平时在医院做CT只能看到宏观的大脑，而绘制图谱在于微观层面、细胞层面，把大脑的神经网络搞清楚。“全脑介观神经联接图谱项目，建立在重大的前沿领域占一席之地、有优势的领域要保持国际领先的原则上。”

　　李澄宇回忆，当听说华大生命科学研究院有一种新开发的大视野空间转录组方法，2021年2月，蒲慕明院士及科研团队两次赴华大集团深圳总部，双方在深入交流后开始商讨合作方案。科研团队马不停蹄地开始工作，就连2月11日除夕守岁也是在华大集团度过的。

　　从2021年3月4日凌晨得到第一张猕猴大脑切片，从而确定实验方案，到3月29日完成3只猕猴左半脑161张切片采集，科研团队为后续的切片图层扫描、图像读取分析奠定了坚实的基础。

　　华大生命科学研究院研究员陈奥说，与以往基于探针的空间组技术一次只能检测几十到几百个基因相比，我们的技术可以把全基因组2万多个基因同时捕捉下来。如此一来，就能够减少切片数。

　　实验组的任务完成后，轮到分析组上场。在接下来长达两年的时间里，科研团队面对采集而来的4200多万个皮层单细胞，绘制一张前所未有的灵长类动物大脑图谱。期间，他们时常为精准绘制的细节问题争得面红耳赤。

　　腾讯AI Lab AI医疗首席科学家姚建华说，每张图像都有几十万到上百万个细胞，有些不是很清晰，有些互相重叠，细胞的基因表达有相似的，也有很大区别的。如何在图像中把这些细胞准确地标识出来，对应到测序空间上，并进行细胞归类，这是我们的主要任务。得益于我们实验室先期积累的人工智能技术、图像分析技术、脑基因分析技术，我们开发出了一套从细胞分割、图像配准到细胞类型注释的AI算法，把细胞精准地“读取”出来并完成归类。

　　研究人员展示项目所消耗的芯片。 

　　科研人员昼夜奋战。 

　　研究成果具里程碑意义，后续原创性引领性成果可期 

　　在研究中，科研团队发现，大量兴奋性神经元、抑制性神经元以及非神经元细胞在大脑皮层中的分布，呈现明显的各层面及各脑区的特异性。更为有趣的是，视觉和躯体感觉系统的细胞类型组成，与脑区层级组织之间存在显著的相关性，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型组成，这揭示了细胞组成和脑区结构之间的关系。此外，通过与公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行跨物种比较，发现灵长类特有的分布于第四层的兴奋性神经元细胞，并且这些细胞高度表达与人类疾病相关的基因。

　　海南大学校长骆清铭院士认为，非人灵长类动物由于进化上的相近，与人类具有95%以上的遗传物质同源性和最接近的基因背景及表型特征，是许多神经系统疾病研究最合适甚至是唯一的模型动物。非人灵长类如猕猴脑皮层的细胞有多少种类型、这些细胞按什么规律组织在一起等，是国际科学前沿也是各国脑计划优先布局的研究热点。

　　他评价这项研究获取了最完整的猕猴大脑全皮层的转录组数据，揭示了细胞类型的组成和灵长类脑区层级结构之间的关系。为进一步理解脑结构和功能提供了重要的基础数据库，将有助于理解脑细胞的构成以及脑疾病发生发展的原因，是具有里程碑意义的进展。

　　骆清铭院士所说的基础数据库是指研发团队将猕猴大脑全皮层的转录组数据，全部实现公开共享（https://macaque.digital-brain.cn/spatial-omics）。

　　《细胞》审稿人认为，这项工作与新建立的网站一起，无疑代表了宝贵的资源，这是研究的主要优势，并将对相关领域产生极大的好处，并激发未来令人期待的研究。

　　“因为工程浩大，我们这次先把猕猴的左脑图谱绘制出来，接下来还要完成猕猴部分脑区的连接图谱。”蒲慕明院士表示，现在的成果只是全脑介观神经联接图谱迈出的坚实第一步，后续将稳步推进，研究成果也将不断涌现。

　　在攻关过程中，团队跨越单位、跨领域的密切协作，年轻科研人员自立自强、勇攀科学高峰的精神，给华大生命科学研究院院长徐讯留下了深刻印象：“我们这次的研究成果，就好比20多年前人类基因组草图的发布。我们现在有了框架图，后续还要继续绘制更详细的图谱，比如灵长类大脑在时间维度上的变化、个体的差异、和相邻近物种的差异、疾病带来的差异等，都需要继续发掘研究，后续有大量里程碑成果值得期待。”

　　据介绍，研究团队将继续在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续攻关，推动我国在这些领域持续产生原创性、引领性成果。

来源 人民日报记者黄晓慧 2023年7月13日

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