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人脑中间神经元多样性的发育机制

发布时间:2021年12月10日

  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。

人脑神经节隆起产生的神经元多样性及不同神经元的发育轨迹

  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。基于此,本研究确定了区分神经节隆起中神经祖细胞及分裂后神经元,以及区分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。本研究得到国家重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金等项目的支持。

  文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6641

 

(供稿:王晓群研究组)

 

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