9月27日，?Science期刊在線發(fā)表了題為“Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex?” 的研究論文，該研究成果由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）聯(lián)合杭州華大生命科學研究院、上海腦科學與類腦研究中心、中國科學院遺傳進化與動物模型重點實驗室、臨港實驗室、華南理工大學、騰訊AI Lab等單位80多人的科研團隊合作完成。

小腦在運動和認知功能中扮演著至關重要的角色，其皮層與新皮層的各種感覺運動和聯(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)域具有相對統(tǒng)一的細胞結構和典型的局部回路，這使得細胞組織如何支撐小腦連接和功能的復雜性成為一個重要問題。

圖一：小腦皮層的神經(jīng)元構成

近年來，單細胞組學的發(fā)展推動了多個針對小腦細胞構成研究的開展，但此前對小腦皮層細胞的分子和功能多樣性的研究主要基于小鼠小腦。靈長類動物小腦在進化過程中顯著擴張，神經(jīng)元數(shù)量增加，認知功能更為復雜，因此確定是否存在靈長類特異性細胞亞型及其獨特的空間組織形式，對于研究靈長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%以上的顆粒細胞外，大多數(shù)細胞類型難以富集，因此對整個靈長類小腦進行單細胞分辨率的全面空間基因表達譜分析一直具有挑戰(zhàn)性。

在本研究中，科學家們采用了華大生命科學研究院發(fā)明的單細胞空間轉(zhuǎn)錄組技術Stereo-seq，對小鼠、狨猴和獼猴的小腦進行了分析。該方法能夠以約500納米的高空間分辨率和全小腦覆蓋的超大可視面積來繪制小腦的空間基因表達譜。通過對這些物種小腦皮層的細胞類型進行分類，研究人員揭示了三個物種中保守的浦肯野細胞、顆粒細胞和分子層中間神經(jīng)元等細胞類型。通過比較小鼠和靈長類動物中每個細胞類型的基因表達模式，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細胞類型在物種間是保守的，但每個細胞類型中的差異表達基因高度依賴于物種。通過繪制各個細胞類型的空間分布，研究人員發(fā)現(xiàn)了靈長類特異的高爾基神經(jīng)元分布特征。

圖二：小腦的跨物種多模態(tài)圖譜

特別值得注意的是，研究人員在Stereo-seq數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了靈長類特異性的浦肯野細胞亞型（GRID2-high Purkinje），并通過RNAscope實驗和人類的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)驗證了這一發(fā)現(xiàn)。進一步的研究還揭示了GRID2高表達細胞在誘導長時程抑制（LTD）相關基因表達方面的顯著差異，以及與其他谷氨酸受體亞基表達模式的差異。

圖三：靈長類特異的浦肯野神經(jīng)元亞型

通過收集和分析清醒小鼠、狨猴以及公開的獼猴的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，研究人員發(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。通過實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)錄組的三維重建和梯度分析，研究人員近一步發(fā)現(xiàn)，在所有三個物種中，功能梯度1和轉(zhuǎn)錄組梯度1都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。此外，通過跨物種預測模型的驗證，發(fā)現(xiàn)了基因表達與小腦內(nèi)功能連接之間的密切關系，并且確定了與功能梯度相關的基因。這些基因在不同物種中的表達模式和富集的細胞類型存在差異，進一步強調(diào)了物種間的分子和功能差異。

圖四：本研究的重要發(fā)現(xiàn)

綜上所述，本研究構建了獼猴、狨猴和小鼠小腦皮層的時空單細胞圖譜，描繪了靈長類特異性浦肯野神經(jīng)元亞型、進化保守的神經(jīng)元空間模式和基因表達的區(qū)域偏好，并建立了轉(zhuǎn)錄組的空間異質(zhì)性與小腦內(nèi)功能連接的緊密關系。這些數(shù)據(jù)為該領域的未來研究提供了全面的資源，揭示了小腦皮層在進化過程中的分子和細胞多樣化，有助于深入理解小腦的進化和功能。

該研究成果已在線發(fā)表，相關數(shù)據(jù)已在深圳國家基因庫公開提交，可在CBMSTA（https://db.cngb.org/stomics/cbmsta/）數(shù)據(jù)庫交互查看并下載分析。

這一研究成果對于推動小腦研究的發(fā)展具有重要意義，為進一步探索小腦在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用以及相關疾病的機制提供了重要的理論基礎和實驗依據(jù)。

中國科學院腦智卓越中心（神經(jīng)科學研究所）研究員劉賜融、孫怡迪、劉志勇、沈志明，杭州華大生命科學研究院研究員劉石平、劉龍奇，鹿特丹伊拉斯姆斯大學神經(jīng)科學系Chris I. De Zeeuw教授為該論文共同通訊作者。杭州華大生命科學研究院副研究員郝世杰、聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生黃智、吳言，腦智卓越中心聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生朱曉嘉、楊倩倩、博士后研究員詹亞峰、董宇、單細胞平臺主任李超、研究助理劉合安為該論文的共同第一作者。單細胞分型、光學平臺提供了重要的技術支撐。