7月12日，《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了題為Single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex的研究論文。該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心與華大生命科學(xué)研究院、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、騰訊AI Lab、深圳國(guó)家基因庫(kù)、瑞典皇家理工學(xué)院、卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院等合作完成。該研究利用我國(guó)自主研發(fā)的超高精度大視場(chǎng)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)Stereo-seq和高通量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)DNBelab?C4 snRNA-seq，成功繪制了獼猴大腦皮層的細(xì)胞類型分類樹，并揭示了細(xì)胞類型組成和靈長(zhǎng)類腦區(qū)層級(jí)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究各類神經(jīng)元之間的連接奠定了分子細(xì)胞基礎(chǔ)。?

靈長(zhǎng)類大腦神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量巨大。它們相互連接形成了復(fù)雜而精細(xì)、支撐高級(jí)認(rèn)知和行為的特定神經(jīng)環(huán)路。這些細(xì)胞和環(huán)路的異常導(dǎo)致多種腦疾病。大腦由哪些細(xì)胞組成以及這些細(xì)胞的空間分布規(guī)律，是腦科學(xué)的基本問(wèn)題。與其他物種相比，靈長(zhǎng)類動(dòng)物具有更高的認(rèn)知和社會(huì)能力，同時(shí)具有更大的皮層和更多細(xì)胞類型。例如，與人類最接近的模式動(dòng)物-獼猴，其大腦包含超過(guò)60億個(gè)神經(jīng)元。研究根據(jù)它們的分子、形態(tài)或生理特征及其空間分布規(guī)律，可將其分為數(shù)百種細(xì)胞類型，分布在數(shù)百個(gè)不同的腦區(qū)中。解析皮層中細(xì)胞亞型的組成及其空間分布規(guī)律，對(duì)于闡明靈長(zhǎng)類大腦的組織規(guī)律至關(guān)重要。

該研究采用了新開發(fā)的大視野空間轉(zhuǎn)錄組Stereo-seq方法，并結(jié)合任務(wù)需要，自主開發(fā)了制備獼猴大腦厘米尺度薄切片的方法。結(jié)合大規(guī)模的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)獲得了食蟹猴全皮層的三維單細(xì)胞空間分布圖譜，為系統(tǒng)分析細(xì)胞類型在皮層內(nèi)各層面特異和區(qū)域特異的分布以及基因表達(dá)特征，提供了目前最完整的靈長(zhǎng)類大腦數(shù)據(jù)（圖1）。

研究發(fā)現(xiàn)，大量興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元以及非神經(jīng)元細(xì)胞在大腦皮層中的分布，呈現(xiàn)明顯的各層面及各腦區(qū)的特異性。視覺和軀體感覺系統(tǒng)的細(xì)胞類型組成與腦區(qū)層級(jí)組織之間存在顯著的相關(guān)性，處于相同層級(jí)的腦區(qū)往往具有類似的細(xì)胞類型組成，這揭示了細(xì)胞組成和腦區(qū)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系（圖2）。此外，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過(guò)與公開發(fā)表的人腦和鼠腦的單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行跨物種比較發(fā)現(xiàn)，靈長(zhǎng)類特有的分布于第四層的興奮性神經(jīng)元細(xì)胞，且這些細(xì)胞高度表達(dá)與人類疾病相關(guān)的基因如FOXP2、DCC和EPHA3等。?

該研究產(chǎn)生了較為完整的世界首套獼猴全腦皮層的單細(xì)胞以及空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，為后續(xù)的相關(guān)研究提供了重要的數(shù)據(jù)資源庫(kù)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)公開共享（https://macaque.digital-brain.cn/spatial-omics，圖3）。?

在攻關(guān)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)跨越多個(gè)單位、多個(gè)領(lǐng)域，依托中國(guó)自主研發(fā)的核心技術(shù)和大平臺(tái)，以有組織的科研攻關(guān)模式開展，目標(biāo)明確、任務(wù)導(dǎo)向、互補(bǔ)分工、團(tuán)結(jié)奮斗。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在腦疾病機(jī)制與靶點(diǎn)研發(fā)、腦細(xì)胞與腦結(jié)構(gòu)演化、腦功能的細(xì)胞分子機(jī)制等領(lǐng)域繼續(xù)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)。?

研究工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目“腦科學(xué)與類腦研究”、上海市級(jí)重大專項(xiàng)“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計(jì)劃”、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、深圳市、臨港實(shí)驗(yàn)室等的支持。?

圖1. 總體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。研究利用Stereo-seq技術(shù)采集了3只獼猴左半腦的161張厚度為10微米切片的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)；利用顯微切割結(jié)合單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)了獲得了百萬(wàn)級(jí)別的獼猴大腦皮層單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)；通過(guò)單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組整合分析，繪制了食蟹猴大腦全皮層的三維單細(xì)胞空間分布圖譜。?

圖2. 獼猴大腦皮層細(xì)胞類型空間分布圖譜。(A)?數(shù)百種細(xì)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）上的空間分布；（B）多種細(xì)胞類型呈現(xiàn)各層面的分布特異性；（C）五種細(xì)胞類型及其特征基因的空間分布和表達(dá)模式。?

圖3. 獼猴大腦皮層細(xì)胞類型及基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)。