科學家發表跨物種小腦皮層單細胞空間轉錄組圖譜

9月27日，《科學》（Science）在線發表了題為Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex的研究論文。該成果由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯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、華南理工大學等的科研團隊合作完成。

小腦在運動和認知功能中扮演著重要角色。小腦的皮層與新皮層的各種感覺運動和聯合區域具有區域特異性的功能連接。然而，與大腦皮層相比，小腦皮層各區域具有相對統一的細胞結構和典型的局部回路，使得細胞組織如何支撐小腦連接和功能的復雜性成為重要問題。

近年來，單細胞組學的發展推動了多個針對小腦細胞構成研究工作，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擴張，神經元數量增加，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，對于探討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元數量99%以上的顆粒細胞外，多數細胞類型難以富集，因而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具有挑戰性。

該研究采用單細胞空間轉錄組技術Stereo-seq，分析了小鼠、狨猴和獼猴的小腦。這一方法能夠以約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。研究通過對這些物種小腦皮層的細胞類型進行分類，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元等細胞類型。研究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現，多數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。研究繪制了各個細胞類型的空間分布，發現了靈長類特異的高爾基神經元分布特征。

特別是，科研人員在Stereo-seq數據中發現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錄組數據驗證了這一發現。進一步，研究揭示了GRID2高表達細胞在誘導長時程抑制相關基因表達方面的差異，以及與其他谷氨酸受體亞基表達模式的差異。

該團隊收集并分析了清醒小鼠、狨猴以及公開的獼猴的靜息態fMRI數據，發現了小腦皮層內的功能連接梯度即“小腦內功能梯度”。這些梯度展示了不同小腦區域之間連接性的三維空間模式。進而，研究通過空間轉錄組的三維重建和梯度分析發現，在三個物種中，功能梯度1和轉錄組梯度1均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。同時，研究通過跨物種預測模型驗證發現了基因表達與小腦內功能連接之間的關系，并確定了與功能梯度相關的基因。而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，這強調了物種間的分子和功能差異。

該工作構建了獼猴、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元亞型、進化保守的神經元空間模式和基因表達的區域偏好，并建立了轉錄組的空間異質性與小腦內功能連接的緊密關系。這些數據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，有助于探索小腦的進化和功能。同時，這一成果對于推動小腦研究的發展具有重要意義，為進一步探究小腦在神經系統中的作用以及相關疾病的機制提供了實驗依據、奠定了理論基礎。

相關數據已在深圳國家基因庫公開提交，可在CBMSTA（https://db.cngb.org/stomics/cbmsta/）數據庫交互查看并下載分析。

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