【学术前沿】专家点评 | 王晓群/吴倩解析人脑中间神经元多样性的发育机制

点评 | 段树民（中国科学院院士）、张旭（中国科学院院士）

中间神经元是大脑皮层中除兴奋性神经元之外的另一类重要的神经元，通过释放GABA调节兴奋性神经元的活动。中间神经元异常会打破神经网络中的兴奋-抑制平衡，从而导致癫痫、自闭症、精神分裂等多种神经精神疾病。大脑中的中间神经元在形态、基因表达、环路连接以及神经电生理活动模式等方面表现出了极其丰富的多样性，而中间神经元的多样性是大脑能够实现复杂而精细功能的基础。但是，目前对于人大脑中间神经元的多样性是如何发育及其基因调控机制的研究还很有限。因此，探究中间神经元的起源及其多样性的发育机制是目前神经科学领域亟待解决的核心科学问题之一。

2021年12月10日，中国科学院生物物理研究所王晓群研究员与北京师范大学吴倩教授联合伦敦国王学院Oscar Marin教授在Science杂志上发表了题为Mouse and human share conserved transcriptional programs for interneuron development的研究论文，系统深入地解析了人脑中间神经元的起源、谱系发育及其多样性的分化调控机制，并通过与小鼠中间神经元的发育机制进行比较揭示了中间神经元发育过程的转录调控机制在进化上的保守性和特异性。

大量的研究证实，中间神经元起源于位于腹侧端脑的神经节隆起（GE, ganglionic eminence）。神经节隆起根据解剖位置的不同，又可以分为内侧（MGE）、外侧（LGE）和尾侧神经节隆起（CGE）。在本研究中，研究人员收集了人类妊娠期9-18孕周的神经节隆起样品，系统探究了人脑中神经节隆起产生的神经元的多样性，揭示了不同神经元谱系的发育轨迹及其多样性形成的分子调控机制。本研究首先基于细胞类型特征基因的表达情况，区分出了神经节隆起中的神经祖细胞以及分裂后的神经元，而后者基于基因表达差异又可以进一步区分为MGE，LGE及CGE细胞，并揭示了MGE, LGE及CGE细胞的特征性基因表达。

与皮层中的神经祖细胞类似，腹侧端脑GE中的神经祖细胞也包括放射状胶质细胞（RGCs）及中间神经元祖细胞（IPCs）。研究人员综合转录组分析及实验验证揭示了人脑GE中RGC和IPC细胞的多样性以及空间分布特征, 并进一步探究了GE中的神经祖细胞区域化特征及其多样性形成的分子机制。此外，研究还发现RGC主要集中于VZ区域，而丰富的IPC细胞则分布于扩大的SVZ区域，说明了人脑神经节隆起SVZ区域的扩大是由于IPCs 而非RGCs数量的大量增加而导致的，这与皮层扩大的机制是不同的。

啮齿类的研究表明，MGE, LGE和CGE 分别产生分布于不同脑区的不同种类的神经元。但是，关于人脑中神经节隆起产生的神经元类型的多样性，以及不同神经元类型的发育谱系及其调控机制，目前尚不清楚。为了回答这一问题，研究人员接下来系统地探究了MGE及LGE细胞的多样性、发育潜能、不同神经元谱系的发育轨迹及其分子调控机制。研究人员通过将分裂后的MGE及LGE细胞与各自的神经祖细胞开展联合分析，绘制了人脑中MGE及LGE起源的不同神经元谱系的发育轨迹。通过此研究发现人脑中的MGE细胞主要分化为皮层及海马中的中间神经元及皮层下脑区的GABA能及胆碱能神经元，以及小一群特异性表达CRABP1及NKX2-1的神经元；而与啮齿类类似，LGE 则向嗅球中间神经元及纹状体投射神经元方向分化，而后者又可以进一步细分为2种D1和1种D2 多棘投射神经元，分别参与纹状体直接通路及间接通路。

种类多样性是中间神经元一个最显著的特征。但是，关于人脑中间神经元多样性产生的时间和空间信息仍不清楚。目前并不明确中间神经元的多样性在发育初期处于前体细胞状态时就已经确定还是迁移并进入最终的脑区位置之后受微环境的影响才逐渐建立的。在本研究中，研究人员通过将胚胎期的MGE细胞与成体皮层中的LHX6+成熟中间神经元的单细胞测序数据进行整合分析，揭示了MGE中间神经元的多样性在它们在神经节隆起产生的初期，仍处于前体细胞状态时就已经确定。中间神经元在腹侧端脑的神经节隆起产生之后，需要进入不同的迁移路径，进而精准地进入目标脑区并参与其环路建立。而中间神经元多样性的提前确定对于指导中间神经元准确地进入迁移路径，进而精准地参与环路建立是极其重要的。

2018年，Mi等 (Science, 2018) 和 Mayer等（Nature，2018），探究了小鼠胚胎发育期中间神经元多样性的形成机制。本研究所解析的调控人脑中间神经元发育的基因调控机制与 Mi和Mayer等报道的小鼠中间神经元的调控机制呈现出了高度的相似性。尽管中间神经元的发育调控机制在进化上呈现出了高度的保守性，但是大量的研究证实，与啮齿类比较，人脑中的中间神经元在数量及类别上均呈现出了更大的丰富性，而人脑中间神经元丰富的多样性极大地推动了脑功能的复杂化及高级认知情感的形成。那么，在胚胎发育期，是否可以在神经节隆起中找到在人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型？为了回答这个问题，本研究将人及小鼠的神经节隆起中的中间神经元前体细胞的单细胞转录组测序数据进行了整合比较并展开了生物学验证，发现了MGE起源的CRABP1+NKX2-1+，以及CGE起源的SCGN+CALB2+两种在人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型。此外，这两种神经元不仅在发育过程中存在，研究人员也在成年人的大脑皮层中检测到了这些神经元。

综上，本研究系统解析了人脑中间神经元的发育规律及其多样性形成的分子调控机制，揭示了人脑中间神经元的多样性是提前确定的，以及中间神经元发育调控机制在进化上的保守性。此外，本研究还发现了人脑中特异性存在的中间神经元前体细胞类型，揭示了人脑中间神经元相较于其他物种的丰富性及多样性，这可能是人类在进化中能够脱颖而出并拥有丰富的情感和自我认知的基础，并为自闭症及精神分裂症等中间神经元异常疾病的病理机制及其探究新的治疗方法奠定了重要基础。

中科院生物物理研究所王晓群研究员、北京师范大学吴倩教授和伦敦国王学院Oscar Marin教授为该论文的共同通讯作者。生物物理研究所时颖超副研究员，王梦迪博士研究生与清华大学米达教授为该论文的共同第一作者。

专家点评

段树民（浙江大学医学院院长，教授。中国科学院院士）

大脑皮层是由各类神经元组成的复杂的超级神经网络，是脑高级认知功能的结构基础。皮层神经网络中兴奋性与抑制性的动态平衡是各种脑功能正常发挥的重要前提。过往研究证明，星形胶质细胞与中间神经元都参与调制大脑皮层兴奋性与抑制性平衡。其中，星形胶质细胞中高表达谷氨酸转运体，可以将胞外的谷氨酸摄入到细胞内并进行转化，以避免胞外谷氨酸的累积造成兴奋性毒性。中间神经元通过释放神经递质GABA，降低神经元兴奋性防止其过度激活，而中间神经元异常则可以引起兴奋性与抑制性失衡，从而导致如癫痫、精神分裂症和自闭症等精神疾病。中间神经元占到皮层神经元的20%左右，具有丰富的细胞类型多样性。不同类型的中间神经元在其空间分布、细胞形态、分子标志物及电生理特征等方面存在明显差异。过去，研究人员主要以小鼠为研究对象，解析了中间神经元的分子特征及其分化和发育的分子机制。而对人脑中间神经元的细胞类型构成及发育过程中的关键调控因子的了解仍然十分有限。

近日，中国科学院生物物理研究所王晓群实验室、北京师范大学吴倩实验室以及英国国王学院Oscar Marin 实验室通力合作在Science上发表了重要工作，通过单细胞转录组测序精细描绘了胚胎期人脑中间神经元前体细胞的单细胞图谱，揭示了人中间神经元前体细胞类型多样性，鉴定了细胞类型的分子标志物，识别了其发育过程中关键的分子调控机制。有意思的是，研究人员通过分析神经节隆起（GE）中神经祖细胞证明，与皮层的扩张机制不同，GE区中SVZ的扩大是由IPCs（中间神经元前体细胞）数量的增加而非RGCs（放射状胶质细胞）的扩增而导致的。另外，该工作通过数据整合分析发现，中间神经元前体细胞与皮层成熟中间神经元在细胞类型上具有很强的对应性，这表明可能早在中间神经元发育早期，其细胞类型多样性就已经建立并且开始表达细胞类型的特异的分子标志物。随后，研究人员通过跨物种分析比较了人与小鼠中间神经元前体细胞的发现，物种间调控中间神经元分化及迁移的分子机制具有一定的保守性，但人中间神经元前体细胞呈现出更加丰富细胞类型多样性。

总体来说，此研究系统的绘制了胚胎发育期人中间神经元的发育谱系，揭示了人中间神经元前体细胞的保守性与特异性，为领域内后续探究提供了重要的数据及研究基础。同时也为精神疾病如精神分裂症等疾病的研究及诊疗提供了切入点。

专家点评

张旭（中国科学院院士）

大脑皮层掌握学习记忆及思维决策等高级认知功能，主要依赖于神经胶质细胞、兴奋性投射神经元（glutamatergic）和抑制性中间神经元（GABAergic）间的协调作用及神经网络中兴奋性与抑制性的平衡。中间神经元在调节神经元兴奋性及同步震荡中发挥关键作用，其异常可以导致神经网络兴奋性与抑制性的失衡，从而引发癫痫、帕金森、精神分裂症等多种精神疾病。因此，对于中间神经元的探究是神经生物学领域的重要问题，具有重大的科学价值。自1970年，当时在美国加州大学洛杉矶分校的Stewart A Anderson教授首次证实中间神经元来源于皮层下区域并通过切向迁移到达大脑皮层以来，随着研究的不断深入，研究人员对哺乳动物的中间神经元的分子标记物、主要细胞类型构成及其电生理特征等有了一定了解。但是，目前对于人脑中间神经元的系统研究还比较有限。

近年来，单细胞测序技术已经成为生命科学领域重要研究手段。随着技术的不断革新与进步，单细胞测序效率的提高以及测序成本的降低，使得该技术得到了更加广泛的应用，使得研究人员可以从崭新的维度深度解析生物学过程，进行高度精细化的单细胞解码。

近日，来自中国科学院生物物理研究所的王晓群课题组以及来自北京师范大学的吴倩课题组联合英国伦敦国王学院的Oscar Marin团队合作在国际知名期刊Science上发表题为Mouse and human share conserved transcriptional programs for interneuron development的研究论文。该研究通过单细胞转录组测获得了妊娠期9-18周人脑内侧（MGE）、外侧（LGE）和尾侧神经节隆起（CGE）的单细胞细胞转录组图谱，绘制了不同类型细胞的分化及发育轨迹，挖掘了中间神经元发育过程中关键的调控因子。此外，该工作通过将小鼠与与人中间神经元前体细胞进行比较分析后发现，尽管小鼠与人的中间神经元前体细胞在细胞分化及迁移的分子机制上呈现一定程度的保守性，但是研究人员仍发现两类人脑中特异的中间神经元前体细胞类型，即一群来源于CGE的SCGN+CALB2+以及一群来源于MGE的CRABP1+NKX2-1+的细胞。这也提示了人与小鼠在中间神经元细胞类型多样性上存在差异，揭示了研究人脑中间神经元的不可替代性。

该工作填补了人胚胎期中间神经元前体细胞单细胞转录组图谱的空白，阐明了中间神经元发育过程中的关键分子调控机制，为领域内更好的理解中间神经元的发育提供了关键的研究基础。更为重要的是，中间神经元的发育与多种精神疾病的形成有密切联系，其在各个发育阶段，例如细胞增殖、迁移及皮层神经环路整合过程中的障碍，都可能导致精神疾病的发生。该工作为今后探究相关精神疾病致病机理提供了坚实的数据基础，为设计新治疗方法提供了切入点。此外，随着单细胞多组学测序技术的蓬勃发展，例如空间转录组测序技术及单细胞表观组学的成熟，相信在未来的工作中，单细胞多组学测序技术的应用会进一步提高我们对中间神经元发育机制的认知。

值得一提的是，王晓群实验室与吴倩实验室长期致力于利用新技术、新方法，系统性地挖掘人脑发育的新机制，连续发表了数篇重要论文（专家点评Cell Stem Cell | 吴倩/王晓群/张军合作揭示人类下丘脑发育的时空动态特征；Nat Commun | 王晓群/贾文清/吴倩合作团队揭示脊髓室管膜瘤肿瘤微环境和多种细胞的互作网络），在国际上处于第一阵线，引领该研究领域的发展，为破解人脑发育的奥秘做出贡献。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abj6641

来源：BioArt

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原标题：《【学术前沿】专家点评 | 王晓群/吴倩解析人脑中间神经元多样性的发育机制》

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