Nat Commun丨新知！复旦大学舒友生团队阐释人类皮层纺锤体神经元的特异性放电特性及转录组特征

撰文：雷泽_风暴之眼

神经解剖学研究发现，人类大脑皮层中存在一类形态独特的神经元——纺锤体神经元（SPNs），也称为冯·埃科诺莫神经元。它们因巨大的纺锤形胞体而引人注目，与邻近的锥体细胞（PCs）不同，SPNs从胞体两极伸出两条对称粗大的树突（一条上行，一条下行）。这类神经元主要存在于脑容量较大的物种中，包括人类、大型猿类、大象及部分鲸类，提示它们可能在高级认知与社会功能中发挥重要作用。在人类大脑中，SPNs集中分布于前扣带皮层、前脑岛皮层和背外侧前额叶皮层的第5层，常呈聚集性分布。解剖学研究还发现，SPNs的缺失与自闭症、额颞叶痴呆、肌萎缩侧索硬化症及阿尔茨海默病等多种神经精神疾病密切相关，这凸显了该细胞类型在正常认知与病理状态中的关键地位。

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然而，除了独特的形态之外，SPNs是否拥有特异的电生理特性和转录组特征，目前仍知之甚少。这主要由于获取新鲜人类皮层组织（尤其是SPNs密度较高的前脑岛和前扣带区域）较为困难。尽管如此，近期一项研究成功记录到了患者脑肿瘤周围岛叶皮层中的三个推定SPNs的放电活动。要在系统层面阐明SPNs的电生理特性，仍需要在更多脑区和更大样本量中进行记录。额叶和颞叶皮层中推定SPNs的识别为此类研究提供了新契机，因为这些区域常为难治性癫痫神经外科手术的靶点。

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在分子层面，通过原位杂交、显微切割细胞RNA测序及单细胞RNA测序等技术，研究者已鉴定出SPNs的若干分子标记物，如ADRA1A、GABRQ、SULF2和VAT1L。跨物种分析进一步揭示了该细胞群中既存在灵长类共享的标记基因，也有人类特有的标记基因，如PCSK6、ADAMTSL3和CDHR3。整合不同脑区和物种的数据集发现，人类SPNs可能属于第5层外端脑投射锥体细胞（ET-PCs）的一个亚群。然而值得注意的是，此前识别的SPNs标记基因并非由其独有，同样也表达于L5 ET-PCs中。因此，利用这些标记物鉴定出的转录组集群可能代表的是L5 ET-PCs，而非SPNs本身。SPNs是否构成转录组和功能上真正独特的细胞类型，仍是一个有待解决的核心问题。

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2026年5月12日，《Nature Communications》杂志在线刊登了复旦大学舒友生研究组的最新重要工作，他们利用神经外科手术中获取的新鲜人类脑组织，采用形态重建、电生理学及patch-seq相结合的多种研究方法，系统解析了纺锤体神经元（SPNs）与外端脑投射锥体细胞（ET-PCs）之间的差异。

与ET-PCs不同，SPNs的近端顶端树突复杂性较低，且轴突并非从胞体发出，而是起源于粗大的初级基侧树突。令人惊讶的是，SPNs表现出增强的神经元兴奋性及特定的放电模式，包括在短时刺激产生持续性重复放电活动。除与ET-PCs共享的分子marker外，SPNs还存在特异性表达基因。

此外，转录组分析揭示了SPNs群体内部的异质性，并鉴定出两个亚型，它们分别与端脑内投射（IT）或ET-PCs的特征更为接近。

综上，该研究证实人类SPNs是一个在功能与分子水平上高度特化的神经元群体，具有独特的电生理及转录组特征。

人脑急性皮层切片中纺锤体神经元的鉴定

本研究从神经外科手术中获得新鲜人脑组织，主要来源于28例难治性癫痫患者及1例脑出血患者，样本取自颞叶（16例）、额叶（9例）及顶叶（3例）。在急性脑切片中，依据长梭形胞体及从两极发出的单一顶端和基侧树突，作者于微分干涉相差显微镜下识别SPNs。作者在额叶（2例）和颞叶（9例）中识别出SPNs，但顶叶中未见。SPNs密度较低（颞叶皮层约1.75 ± 0.50个/mm³），但倾向于聚集于脑回嵴部。为对比分析，作者还选取了邻近的外端脑投射型锥体细胞（ET-like PCs）、三角形细胞以及端脑内投射型锥体细胞（IT-like PCs）。NeuN染色证实SPNs具有长梭形胞体，区别于三角形细胞和锥体细胞（图1a-b）。

依据NeuN标记的皮层分层结构，作者发现三角形细胞主要位于第5层深部。值得注意的是，SPNs同时存在于第4层和第5层，这与既往在前脑岛和前扣带皮层中SPNs聚集于第5层深部的发现不同。SMI-32染色显示，SPNs及ET-like PCs呈阳性，而三角形细胞及邻近的IT-like PCs为阴性。多重荧光原位杂交证实，ADRA1A和SULF2在SPNs及ET-like PCs中均高表达，MEIS2在两类细胞中均中度表达（图1c-f）。

作者严格依据形态学和层别分布标准，对上述四种细胞类型收集了多模态数据，并进行系统的形态学、电生理学及转录组学分析。具体而言，他们采用全细胞记录评估电生理特性（134个神经元），记录中充注生物细胞素用于三维形态重建（63个神经元），部分实验通过膜片吸浆胞浆内容物并进行转录组分析（124个神经元; 图1g）。

那么，这种新型神经元和锥体神经元的差异若何呢？

笔者注：新鲜人脑组织膜片钳电生理实验的难度极高，主要体现在组织来源稀缺、获取窗口极短、细胞活性脆弱以及操作技术复杂等方面。人脑组织主要依赖神经外科手术切除的病灶周围区域，离体后因缺氧和缺糖，活性迅速下降，必须在数十分钟内完成切片与记录。

在操作层面，目标神经元识别困难，形成高阻抗封接的成功率通常不足50%，维持长时间稳定记录以及后续进行胞浆吸取用于转录组分析（Patch-seq）更是挑战重重。此外，全细胞记录会稀释胞内信号分子，而打孔膜片钳虽能保留内环境但稳定性差。这些因素共同使得人脑膜片钳成为一项低成功率、高门槛的前沿技术，推动着自动化设备和脑类器官模型等替代方案的探索。

图1 人脑急性皮层切片中纺锤体神经元的鉴定

SPNs整体上表现出类似外端脑投射型（ET-like）的电生理特性，但在形态学上存在差异

为回答以上问题，他们对所记录神经元的形态与电生理特征进行了分析。

生物细胞素染色显示了所记录细胞的胞体及树突/轴突结构（图2a,b及补充图2,3）。形态定量分析证实SPNs是一个独立于ET样PCs的聚类（补充图2）。Sholl与Horton-Strahler分析表明，SPNs的近端顶端树突复杂性显著低于邻近ET样PCs，分支点更少、交叉次数更少、总长度更短（图2c-e）。SPNs的基侧树突主干近端交叉较少，但总长度和分支点与ET样PCs相当。SPNs的轴突分支仅见微小差异。

三角形细胞在树突及轴突复杂性上亦区别于IT样PCs（补充图3a-c）。SPNs的显著特征在于其轴突恒定地起源于粗大基侧树突干（32/32），区别于三角形细胞和PCs（补充图3f）。

通过全细胞记录和聚类分析，作者将神经元分为四种电生理类型（e-type1-4）（图3a）。三角形细胞及IT样PCs归为e-type1，而SPNs主要分布于e-type3（40.0%）和e-type4（51.1%）（图3b-d）。包含SPNs的e-type3/4表现出既往未描述的特征：在基强度刺激下产生延长的簇状放电（e-type3:12.9±0.9个，e-type4:15.6±1.4个AP），高频放电（e-type3:126.9±5.3 Hz，e-type4:81.2±4.9 Hz），并对弱输入呈现高兴奋性（图3f及补充图5）。这些独特的内源特性可能与其增强的兴奋性相关（图3c-f）。

笔者注： 神经元的电生理类型是指基于其固有膜特性、动作电位动力学及放电模式等电生理参数，对神经元进行功能分类的结果。不同类型的神经元在静息膜电位、输入阻抗、膜时间常数、动作电位阈值、放电频率适应性及簇状放电倾向等方面存在显著差异。在皮层环路中，常见的电生理类型包括快速放电型、规则放电型、簇状放电型及固有簇状放电型等。通过全细胞记录结合无监督聚类分析，研究人员可将记录到的神经元划分为不同的电生理类型（e-type），这些类型通常与特定的形态学特征、分子标记物及投射靶向性密切相关。

例如，兴奋性锥体细胞多表现为规则放电或适应性放电模式，而抑制性中间神经元则常呈现快速放电或簇状放电特征。电生理类型的识别为理解神经元在神经网络中的功能角色及病理状态下的异常改变提供了关键依据。

图2 SPNs与ET样PCs的形态学特征

图3 SPNs与ET样PCs的电生理特征

SPNs具有独特的动作电位波形与放电模式

数据集显示，SPNs形态学特征不仅包括细长延展的胞体-树突结构区，还表现为轴突发自基侧树突，且与胞体中心距离较远（28.4~152.8 µm，n=36；图4a-b），与既往高尔基染色观察一致。

作者假设SPNs独特的形态可能通过电学区室化显著影响动作电位起始与反向传播。为验证这一假设，他们选取e-type3/4中的ET样PCs作为对照组。结果显示，SPNs表现出显著更低的Rheobase电流及更长的动作电位时程（图4c-e），其增强的兴奋性可能源于更高的输入阻抗及下文所述的去极化平台（plateau）。

大多数e-type3/4 PCs在上升相中表现出明显转折及双峰（n=20/31，图4f），而大多数SPNs缺乏可辨识的转折（n=35/41），且上升相斜率较缓（图4g）。SPNs中双相转折的缺失可能归因于沿纺锤形胞体传播的被动衰减。与ET样PCs相比，SPNs具有更高的输入阻抗及更低的膜电容趋势（图4c），有助于其增强的兴奋性。

值得注意的是，部分SPNs表现出持续的动作电位放电，叠加在远超刺激时长的去极化平台之上（n=17/51，图4i,j），该现象在e-type3/4 PCs中较少见（n=3/45）。持续性放电神经元主要聚集于e-type4（n=18/20）。SPNs中持续性簇状放电在全细胞记录破膜后约104秒内消失（图4i），提示细胞内信号通路参与维持该活动。瞬时簇状放电在两类细胞中均可观察到，且保持稳定（图4d）。在e-type3/4 PCs中，簇状放电依赖于膜电位水平（图4l），提示T型钙通道参与。作者发现SPNs对基强度刺激表现出显著更强的阈下去极化平台（图4m,n），提示低电压门控内向电流可能贡献于其增强的兴奋性和持续性放电倾向。综上所述，虽然两类细胞均可产生簇状放电，但SPNs表现出延长的超线性去极化平台，这可能是其持续性放电高发生率的潜在基础。

了解完电生理性质，那么，在转录组水平上，SPNs又有哪些异同呢？

笔者注：电学区室化（electrical compartmentalization）是指神经元因其胞体、树突和轴突在直径、长度及分支模式上的形态差异，形成功能上相对独立的区域，从而对电信号的产生、传播与整合进行局部调控的特性。不同区室具有各异的膜特性和离子通道分布，导致突触后电位或动作电位在传播过程中发生不同程度的衰减与隔离，使得神经元能够执行复杂的非线性计算。

在纺锤体神经元的研究中，这一特性被用来解释其独特的纺锤形胞体及轴突发自基侧树突的形态如何影响动作电位的起始与反向传播，进而贡献于其增强的兴奋性和持续性放电等特殊电生理表现。

图4 SPNs具有独特的动作电位波形与放电模式

在转录组水平上纺锤体神经元归属于端脑内投射/端脑外投射相关聚类

既往单核RNA测序研究表明，SPNs在转录组上与L5 ET-PCs聚类，但RNAscope验证显示标记基因同时标记SPNs及邻近PCs，提示特异性有限。此外，现有数据中ET-PCs采样量有限，难以精细区分SPNs与ET-PCs。为此，本研究采用膜片-seq收集单个神经元转录组数据，精确表征SPNs、PCs与TRIs的分子差异（图5）。作者通过计算污染评分进行严格质控（补充图9a）。

共获得124个高质量单细胞转录组，包括64个PCs、38个TRIs及22个SPNs。基于高变基因的PCA和UMAP分析鉴定出两个转录组聚类t-type1和t-type2（图5a）。大多数SPNs（72.7%）聚集于t-type2，少数（27.3%）与t-type1聚类，表明SPNs存在转录组异质性（图5a）。电生理类型与转录组身份高度一致：e-type2-4映射至t-type2，e-type1聚集于t-type1（图5a）。作者鉴定出128个差异表达基因（图5b），GO分析显示涉及离子通道活性及放电模式（图5c），KEGG分析提示钙信号及轴突导向通路富集（补充图9b）。IT-与ET-PCs标记基因在两类细胞中差异表达（图5d），离子通道表达模式与电生理类型一致（图5e）。

将patch-seq数据映射至人类颞中回细胞分类体系，发现13个SPNs被分配至ET-PC聚类，9个SPNs被分配至IT-PC聚类（图5f,g），表明部分SPNs在分子水平上偏离典型ET-PCs。采用另外两种映射算法验证，SPNs持续被同时映射至IT和ET聚类（补充图10）。

笔者注：Patch-seq是一种将全细胞膜片钳记录、细胞形态学重建与单细胞转录组测序相结合的多模态技术。该技术首先通过膜片钳记录目标神经元的电生理特性，随后利用同一根电极将胞浆内容物吸出并进行RNA测序，同时在记录过程中向细胞内充注生物胞素等示踪剂以便后续进行形态学重建。

通过这种“电生理-形态-转录组”三联整合的方法，研究者能够将神经元的功能特性与分子表型直接关联，从而精确鉴定细胞类型并揭示其功能相关的分子机制。在人脑组织研究中，patch-seq尤其适用于解析纺锤体神经元等稀有细胞类型的独特电生理与转录组特征。

图5 在转录组水平上纺锤体神经元归属于端脑内投射/端脑外投射相关聚类

SPNs在转录组水平上有别于毗邻的TRI/PCs

为进一步解析SPNs的转录组特征，作者将其基因表达谱与三个参考组别进行对比：非SPNs（PCs和TRIs）、IT-PCs（t-type1）及ET-PCs（t-type2）（图6）。与所有非SPNs相比，SPNs呈现89个差异表达基因，其中22个上调、67个下调，上调基因中包含已知SPN标记物LYPD1（图6a,d）。与IT-PCs比较时，差异基因涵盖ET-PC、IT-PC及SPN的多个经典标记物（图6b,e），提示既往鉴定的SPN标记物可能反映聚类间差异而非SPN内在特征。SPNs与ET-PCs相比呈现更多差异表达基因（图6c,f），表明即使在ET谱系内SPNs亦具有独特分子特征。其中，经典ET-PC标记物SCN4B和SYT2呈层次性表达：在SPNs中显著低于ET-PCs，但仍显著高于IT-PC谱系（图6b,c）。此外，SPNs群体内多个基因呈双峰表达分布（如GRIK2、NPTX1、POU3F1、ALDOC；图6e,f），表明形态学识别的SPNs存在转录组异质性。

通过差异表达基因进行富集分析，作者发现上调基因富集于免疫相关生物学过程（图6g），这可能与SPNs在神经退行性疾病中的选择性易损性一致。下调基因主要富集于能量代谢及突触信号传导（图6h,i），提示SPNs具有不同于L5 ET-PCs的代谢与突触功能景观，这可能为其在人脑皮层环路中的特化作用提供基础。

图6 SPNs在转录组水平上有别于毗邻的TRI/PCs

SPNs的分子指纹特征

聚类分析将SPNs分为IT-SPN和ET-SPN两个亚群（图7a）。既往标记物呈现定量表达差异而非有无模式，如POU3F1、SULF2和ADRA1A在ET-SPN与ET-PC中表达相当，在IT-SPN中较低（图7b）。两个亚型具有不同转录组谱，差异分析分别鉴定出30和143个标记基因（图7c）。IT-SPN富集非编码RNA，ET-SPN则高表达CACNA1H等蛋白编码基因（图7d）。相关性分析显示IT-SPN与IT-PC、ET-SPN与ET-PC分别高度相似（图7e），已知标记基因表达模式进一步证实这一点（图7f），提示SPNs代表IT/ET细胞类型的转录连续体。

高维加权共表达网络分析鉴定出17个共表达模块，枢纽基因主要为非编码RNA及ADRA1A、SULF2等经典标记物（图7g）。特征选择算法鉴定出38个指纹基因，可将全部22个SPN分离为独立聚类（图7h）。这些基因分为IT-PC富集、ET-PC富集及区分SPN与ET-PC三类，其中区分SPN与ET-PC的多为非编码RNA。单个标记基因无法可靠识别SPNs，但ADRA1A和SULF2既是枢纽基因也是指纹基因，极可能是SPNs的关键标记物。

笔者注：分子指纹是指能够唯一标识或区分特定生物实体（如细胞类型、疾病亚型等）的一组特征性分子集合，通常由多个基因、蛋白质或代谢物的表达模式组合而成，而非依赖单一分子标记。其核心在于通过多维组合性实现对目标实体的精确分类与识别，并反映其功能本质与调控机制。

例如在神经科学中，一组38个指纹基因可将纺锤体神经元与其他细胞类型区分开来；在肿瘤学中，PAM50基因签名可用于乳腺癌分子亚型的分型。简言之，分子指纹强调“单一标记不可靠，组合特征才精准”的系统生物学理念。

图7 SPNs的分子指纹特征

本文的局限性

该文是一篇扎实的、多模态描述性研究，提供了SPN在电生理和转录组上的高分辨率特征，方法学上采用了先进的Patch-seq技术，但并非完美无瑕：1、创新广度来讲，本文确认并深化了已知的SPN独特性，但未颠覆现有范式。2、机制深度方面，本文主要为描述性关联（转录组+电生理），无功能操控。3、生理特性来讲，本文局限在急性脑片离体记录，无体内或行为数据（可能，这就是小动物实验的优势了；不知道非人类灵长类动物是否可行）。4、样本普适性来讲，本文样本源于单中心、小样本、仅癫痫患者，并非最优。

总结

纺锤体神经元（spindle neurons, SPNs），亦称冯·埃科诺莫神经元（von Economo neurons, VENs），主要存在于包括人类在内的大脑容量较大的物种中。人脑新皮层中的SPNs被认为参与认知功能，并在一系列脑疾病中受到影响。尽管具有独特的形态学特征，SPNs是否拥有特异的电生理特性及转录组身份仍不清楚。

本研究对在人脑皮层切片中经形态学鉴定的SPNs及锥体细胞（pyramidal cells, PCs）进行了全细胞膜片钳记录（134个细胞）及RNA测序（patch-seq，124个细胞）。与假定的外端脑投射性锥体细胞相比，SPNs的近端顶端树突复杂性较低，且轴突自基侧树突干发出。此外，SPNs表现出增强的兴奋性及特征性的放电特性，包括强力的簇状放电及持续性放电模式。Patch-seq分析揭示了SPNs内部的转录组异质性，并鉴定出其指纹基因。

综上所述，SPNs构成一类在分子与功能水平上均具有独特性的神经元群体，可能构成人脑皮层处理的重要核心。

参考文献：

Ke, W., Lyu, S., Jin, M. et al. Spindle neurons in human cortex possess distinctive firing properties and transcriptomic signatures. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72935-2

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