首部大脑发育图谱揭示干细胞如何变成神经细胞

科学家绘制了迄今最详细的图谱，展示人类大脑在胚胎发育及早期生命阶段如何从干细胞分化而来。11月5日发表在《自然》杂志的5篇论文中，他们追踪了人类和小鼠大脑皮层中的数十万早期脑细胞，并以前所未有的精度捕捉到了产生神经元和支持细胞混合体的分子事件。 “这实际上是任何发育中大脑‘细胞图谱’的初步草案，”华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所执行副总裁所长曾红葵（Hongkui Zeng）表示，她也是该系列中两篇论文的共同作者。 这些图谱可能为研究自闭症和精神分裂症等神经系统疾病提供新方法。曾红葵说，研究人员现在可以“挖掘数据，找到在特定细胞类型、特定时间点对特定事件可能至关重要的基因”。英国牛津大学发育神经科学家佐尔坦·莫尔纳尔（Zoltán Molnár）未参与任何研究，他补充道：“我们即将迎来一个非常激动人心的时代。” 这项工作是脑计划细胞图谱网络（BRAIN Initiative Cell Atlas Network, BICAN）的一部分。该项目由美国国立卫生研究院的“通过推进创新神经技术进行脑研究”（BRAIN）计划于2022年启动，获5亿美元资金，旨在构建哺乳动物大脑的参考图谱。 其中两篇论文绘制了小鼠大脑皮层部分区域的图谱——大脑皮层是参与认知功能和感知的区域。曾红葵及其同事专注于视觉皮层从11.5天大的胚胎到出生后56天的发育过程。他们创建了包含568,654个单个细胞的图谱，识别出148个细胞簇和714个亚型。“这是首个完整的高分辨率皮层发育图谱，包括产前和产后阶段，”曾红葵说。她表示，一个惊喜是，许多神经元在出生后仍继续获得特殊身份，尤其是在新生小鼠首次睁眼的第11天至第21天之间。 另一项研究聚焦人类胚胎的大脑发育。加州大学旧金山分校神经科学家托马什·诺瓦科夫斯基（Tomasz Nowakowski）说，不同脑细胞如何出现“是发育神经生物学中一个长期存在的问题”。他和同事利用从8个人类胎儿不同发育阶段收集的脑组织，创建了人类皮层细胞的家族树图谱。他们在这些组织中识别出6,402个祖细胞，并在每个细胞中插入了独特的DNA“条形码”。由于细胞分裂时条形码会被复制并传递给子细胞，研究人员得以追踪哪些干细胞生成了哪些类型的脑细胞。 诺瓦科夫斯基及其团队发现，在不到20周大的胚胎中，祖细胞主要发育为兴奋性神经元——这种细胞通过传递电信号来激活其他神经元。但20周后，细胞转向生成抑制性神经元——即阻止神经元通信的细胞。“这显示了这些祖细胞如何从一种类型转变为另一种类型，”莫尔纳尔说。 诺瓦科夫斯基补充道，与小鼠相比，人类中其他类型脑细胞（称为星形胶质细胞和少突胶质细胞）的生成“似乎更加连续和持久”。 “我们实际上并不知道是什么控制着所有这些发育程序和转换，也不知道它们为什么会在发育过程中发生，尤其是在如此精确的时刻，”诺瓦科夫斯基说。他补充道，解决这些问题将是未来研究的关键目标。