研究解析人脑中间神经元多样性的发育机制

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，导致癫痫、自闭症、精神分裂等神经精神疾病。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。当前，关于人大脑中间神经元的多样性如何发育及其基因调控机制的研究较为有限。因此，中间神经元的起源及其多样性的发育机制研究是神经科学领域的核心科学问题之一。

12月10日，中国科学院生物物理研究所研究员王晓群、北京师范大学教授吴倩，联合英国伦敦国王学院教授Oscar Marin，在Science上发表了题为Mouse and human share conserved transcriptional programs for interneuron development的研究论文，系统剖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比较研究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与特异性。

大量研究证实，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，可分为内侧（MGE）、外侧（LGE）和尾侧神经节隆起（CGE）。本研究中，科研人员收集了人类妊娠期9-18孕周的神经节隆起样品，探究了人脑中神经节隆起产生的神经元的多样性，阐释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。该研究首先基于细胞类型特征基因的表达情况，区分出神经节隆起中的神经祖细胞及分裂后的神经元，而后者基于基因表达差异又可进一步区分为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中的神经祖细胞包括放射状胶质细胞（RGCs）及中间神经元祖细胞（IPCs）。研究综合转录组分析及实验验证揭示了人脑GE中RGC和IPC细胞的多样性及空间分布特征，并进一步探索了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，这与皮层扩大的机制不同。

啮齿类研究显示，MGE、LGE和CGE分别产生分布于不同脑区的不同种类的神经元。然而，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，尚不清楚。为了回答这一问题，科研人员解析了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。研究联合分析分裂后的MGE及LGE细胞与各自的神经祖细胞，绘制出人脑中MGE及LGE起源的不同神经元谱系的发育轨迹。研究表明，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最显著的特征之一。而关于人脑中间神经元多样性产生的时间和空间信息尚不清晰。目前，关于中间神经元的多样性在发育初期处于前体细胞状态时已确定，还是迁移并进入最终的脑区位置后受微环境的影响才逐渐建立，尚不明确。本研究中，科研人员整合分析了胚胎期的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，阐明了MGE中间神经元的多样性在其在神经节隆起产生的初期仍处于前体细胞状态时便已确定。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从而精准地参与环路建立是颇为重要。

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高度的保守性，但研究证实，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更大的丰富性，而人脑中间神经元丰富的多样性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？为了回答这一问题，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整合比较并展开生物学验证，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，这两种神经元在发育过程中存在，并在成年人的大脑皮层中检测到这些神经元。

该研究阐释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，论述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，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，这或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，并为探索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新的治疗方法奠定了重要基础。

研究工作得到国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等的支持。

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

来源：中国科学院生物物理研究所