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萬輝生物新蟲 (初入文壇)
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【文獻(xiàn)精讀】新皮層和海馬體結(jié)構(gòu)形成的轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類
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英文題目：A taxonomy of transcriptomic cell types across the isocortex and hippocampal formation 中文題目：新皮層和海馬體結(jié)構(gòu)形成的轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類 期刊：Cell 影響因子：41.6 發(fā)表時(shí)間：2021.5.17 文章摘要 哺乳動(dòng)物大腦中的新皮層和海馬體 (HPF) 在感知、認(rèn)知、情緒和學(xué)習(xí)中起著關(guān)鍵作用。研究分析了覆蓋整個(gè)成年小鼠新皮層和 HPF 的約 130 萬個(gè)細(xì)胞，并得出了一個(gè)轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類法，揭示了谷氨酸能和 GABA 能神經(jīng)元類型的細(xì)胞綜合庫。與 HPF 具有更簡(jiǎn)單的細(xì)胞組織的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反，研究在 HPF 中發(fā)現(xiàn)了一群與具有六層結(jié)構(gòu)的新皮層相同的谷氨酸能神經(jīng)元細(xì)胞亞型，提示 HPF 和新皮層共享一個(gè)環(huán)路構(gòu)筑模式。研究還確定了沿新皮層深度、跨新皮層的表面，以及海馬和下葉突多個(gè)維度的細(xì)胞類型的大規(guī)模連續(xù)和分級(jí)變化�？傮w而言，研究建立了哺乳動(dòng)物新皮層和海馬形成的分子結(jié)構(gòu)，并開始闡明其與這兩種大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育、進(jìn)化、連通性和功能的潛在關(guān)系。 01 研究背景 大腦皮層占據(jù)哺乳動(dòng)物大腦的很大一部分并執(zhí)行多種功能，從感官知覺和自主行為的產(chǎn)生到情感、認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶。皮層被劃分為多個(gè)區(qū)域，具有與許多皮層下和其他皮層區(qū)域的特定輸入和輸出連接。在發(fā)育過程中，皮質(zhì)起源于端腦（telecephalon）的大腦皮層（pallium），在發(fā)育過程中，大腦皮質(zhì)的內(nèi)側(cè)皮層發(fā)育成了海馬結(jié)構(gòu)（也成為古腦皮層，archicortex），腹側(cè)皮層發(fā)育成了嗅皮層（也稱為原腦皮層，paleocortex），背側(cè)皮層則發(fā)育成了新皮層（也稱同型皮層，neocortex/isocortex）。原皮層和古皮層被認(rèn)為是進(jìn)化上較古老的結(jié)構(gòu)，而新皮層出現(xiàn)較晚，并在脊椎動(dòng)物進(jìn)化中顯著擴(kuò)大，在哺乳動(dòng)物中達(dá)到目前的形式，普遍認(rèn)為原皮層和古皮層神經(jīng)元是排列為3-5 層，新皮層為 6 層。 新皮層的功能區(qū)域（人類 180 個(gè)，小鼠 30 個(gè)）以片狀結(jié)構(gòu)分布于皮層，包括所有感覺模式的初級(jí)和高級(jí)感覺區(qū)域，初級(jí)和次級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，以及新皮層的額葉、內(nèi)側(cè)和外側(cè)部分的多個(gè)關(guān)聯(lián)區(qū)域，共同形成了一個(gè)分層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有功能不同的模塊以及模塊內(nèi)部和模塊之間的前饋和反饋通路。海馬結(jié)構(gòu) (HPF) 也是一個(gè)復(fù)雜的多區(qū)域結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)、記憶、空間導(dǎo)航和情緒調(diào)節(jié)（HPF 的背腹軸網(wǎng)絡(luò)調(diào)控）。 不論是何種皮層，都主要包括谷氨酸能興奮性（glutamatergic excitatory）神經(jīng)元和氨基丁酸能抑制性（GABAergic inhibitory）神經(jīng)元兩大類，前者主要負(fù)責(zé)長(zhǎng)距離投射構(gòu)成層級(jí)網(wǎng)絡(luò)，后者則主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)小范圍內(nèi)神經(jīng)元的放電和連接。 已有研究證明使用高度可擴(kuò)展的單細(xì)胞 RNA 測(cè)序（scRNA-seq）方法生成全面的細(xì)胞類型普查可作為進(jìn)一步研究大腦回路結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)且有效的力量。美國(guó)艾倫腦科學(xué)研究所Hongkui Zeng團(tuán)隊(duì)利用兩個(gè)不同的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序平臺(tái)（10x 和 SMART-Seq），測(cè)序了覆蓋整個(gè)成年小鼠新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的超過130萬個(gè)細(xì)胞，開發(fā)了一種共識(shí)聚類方法來組合兩個(gè)數(shù)據(jù)集，并得出一個(gè)細(xì)胞類型分類法，包括 388 種轉(zhuǎn)錄組類型，其中 364 種是神經(jīng)元類型，完成了對(duì)跨新皮層和海馬形成的轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類，實(shí)現(xiàn)了在沒有顯著差距的情況下定義整個(gè)空間景觀中的神經(jīng)元細(xì)胞類型組成。 02 研究結(jié)果 2.1 轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類法的形成 為了對(duì)細(xì)胞類型進(jìn)行大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)表征，本研究開發(fā)了轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞類型分類法，使用了兩種互補(bǔ)的單細(xì)胞測(cè)序方法：SMART-Seq v4 (SSv4)和 10x Genomics Chromium (10xv2)平臺(tái)。首先，通過分析和解剖邊界的大腦區(qū)域，并在覆蓋新皮層 (isocortex，CTX) 和 海馬結(jié)構(gòu) (HPF) 的所有區(qū)域的中間本體級(jí)別采樣（圖1A)。 CTX 涵蓋的區(qū)域：額極 (FRP)、初級(jí)運(yùn)動(dòng) (MOp)、次級(jí)運(yùn)動(dòng) (MOs)、初級(jí)體感 (SSp)、其他感覺皮層 (SSs)、味覺 (GU)、內(nèi)臟 (VISC)、聽覺 (AUD) )、初級(jí)視覺(VISp)、前外側(cè)視覺(VISal)、前內(nèi)側(cè)視覺(VISam)、側(cè)視覺(VISl)、后外側(cè)視覺(VISpl)、后內(nèi)側(cè)(VISpm)、外側(cè)中間(VISli)、后鼻(VISpor)、前扣帶回( ACA)、邊緣前 (PL)、邊緣下 (ILA)、眶下 (ORB)、島狀顆粒 (AI)、脾后 (RSP)、后頂葉聯(lián)合 (PTLp)、顳聯(lián)合 (TEa)、周圍 (PERI)和外鼻 (ECT) 區(qū)域。 HPF 的覆蓋區(qū)域分為兩個(gè)主要部分：海馬區(qū) (HIP)，包括 CA1、CA2、CA3 和齒狀回 (DG)，以及海馬后區(qū) (RHP)，包括外側(cè)內(nèi)嗅區(qū) (ENT1)、內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅區(qū) (ENTm)、副下頜骨 (PAR)、下頜骨后 (POST)、下頜骨前 (PRE)、下頜骨 (SUB) 和前下頜骨 (ProS)。 HPF 中剩下的少數(shù)幾個(gè)小區(qū)域，即片狀灰質(zhì) (FC)、灰板 (IG)、海馬 - 杏仁核過渡區(qū) (HATA) 和區(qū)域前列腺 (APr)，都包括在其相鄰區(qū)域的解剖中。 研究通過熒光激活細(xì)胞分選 (FACS) 進(jìn)行細(xì)胞分離以富集神經(jīng)元，獲得質(zhì)控后的 1,228,636 個(gè)單細(xì)胞 （10xv2 轉(zhuǎn)錄組）和 76,381 個(gè)單細(xì)胞 （SSv4 轉(zhuǎn)錄組）。首先分別對(duì) 10xv2 和 SSv4 細(xì)胞進(jìn)行聚類，從而產(chǎn)生 332 個(gè) 10xv2 聚類和 324 個(gè) SSv4 聚類。 10xv2 和 SSv4 數(shù)據(jù)集的綜合聚類產(chǎn)生了 388 個(gè)共識(shí)聚類（圖 1B）。盡管兩個(gè)平臺(tái)的基因檢測(cè)存在很大差異（SSv4 為每個(gè)細(xì)胞 8,894 ± 1,551 個(gè)基因，10xv2 每個(gè)細(xì)胞為 4,125 ± 1,176，平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差），但在這兩種方法中每個(gè)聚類級(jí)別檢測(cè)到的基因數(shù)量之間存在良好的相關(guān)性。作者通過轉(zhuǎn)錄組聚類的分層聚類構(gòu)建了一個(gè)分類樹（圖 1B），該聚類是基于每個(gè)聚類的 5,981 個(gè)差異表達(dá)（DE）基因的平均基因表達(dá)得到的。然后使用統(tǒng)一流形近似和投影 (UMAP) 和星座圖（圖 1C-1E）可視化屬于它們的細(xì)胞來探索 388 個(gè)集群之間的關(guān)系。這些探索細(xì)胞類型景觀的不同方法，是離散和連續(xù)基因表達(dá)變異的組合，提供了對(duì)分類的整體描述。分類樹很簡(jiǎn)單，但人為地離散：它們不保留類型之間的所有多維關(guān)系，但它們突出了主要的層次關(guān)系。UMAP 和星座圖除了離散性之外，還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的可視化。有了這個(gè)基礎(chǔ)，研究將分類法中的單元格集從粗到細(xì)的類別標(biāo)記為：類（class）、鄰域(neighborhood)、子類(subclass)、超類型(supertype)和類型(type)（圖 1B）。 為了注釋這個(gè)包含許多新轉(zhuǎn)錄組類型的分類法，研究整理了對(duì)分類法的每個(gè)簇和每個(gè)分支有選擇性的 DE 基因集，以代表不同的粒度水平，并使用Lein 等人研究的 Allen Brain Atlas (ABA) RNA 檢查它們的解剖表達(dá)模式原位雜交 (ISH) 數(shù)據(jù)�；谶@種解剖（區(qū)域和層流）注釋和先驗(yàn)知識(shí)，研究將 388 個(gè)集群分配到 4 個(gè)類、8 個(gè)鄰域、42 個(gè)子類和 101 個(gè)超類型。 GABA能神經(jīng)元類包含 6 個(gè)子類和 119 個(gè)簇；谷氨酸能神經(jīng)元類包含 28 個(gè)子類和 241 個(gè)簇；星形膠質(zhì)細(xì)胞/少突膠質(zhì)細(xì)胞非神經(jīng)元類包含 2 個(gè)亞類和 14 個(gè)簇；免疫/血管非神經(jīng)元類包含 4 個(gè)子類和 10 個(gè)簇（圖 1B）。研究將子類分為 8 個(gè)鄰域，2 個(gè) GABA 能（CGE 和 MGE），5 個(gè)谷氨酸能（L2/3 IT、L4/5/6 IT Car3、PT、NP/CT/L6b 和 DG/SUB/CA）和一個(gè)“其他”區(qū)。神經(jīng)元鄰域的詳細(xì)分析在下面的部分中介紹。這里簡(jiǎn)要提到的“其他”區(qū)包括所有非神經(jīng)元亞類，以及兩個(gè)神經(jīng)元亞類，Cajal-Retzius (CR)（谷氨酸能，主要在第 1 層）和 Meis2（GABAergic，主要在白質(zhì)中）（圖 1B)。 Meis2 神經(jīng)元被鑒定為與嗅球中間神經(jīng)元有關(guān)。由于本研究的重點(diǎn)是神經(jīng)元細(xì)胞類型，因此研究對(duì)非神經(jīng)元細(xì)胞的采樣有限（QC 后 15,241 個(gè) 10xv2 細(xì)胞和 1,828 個(gè) SSv4 細(xì)胞），不進(jìn)行后續(xù)的重點(diǎn)分析。 圖1.新皮層和HPF轉(zhuǎn)錄組學(xué)細(xì)胞類型分類。 (A) Allen CCFv3 中呈現(xiàn)的采樣大腦區(qū)域的概述。 PPP-SP 聯(lián)合區(qū)域包括 PAR-POST-PRE-SUB-ProS。 (B) 由 388 個(gè)簇組成的轉(zhuǎn)錄組分類樹，以樹狀圖表現(xiàn)（10xv2：n = 1,169,213；SSv4：n = 73,346）。 條形圖表示根據(jù)平臺(tái)、性別和區(qū)域分析的細(xì)胞分?jǐn)?shù)，以及 log10 尺度上每個(gè)簇的細(xì)胞總數(shù)。 (C) 谷氨酸能類型之間全局相關(guān)性的星座圖。 每個(gè)集群由一個(gè)點(diǎn)表示，位于 (D) 中所示的 UMAP 坐標(biāo)中的集群質(zhì)心處。 集群按子類分組。 80% 以上的細(xì)胞來自 HPF 的簇被標(biāo)記為綠色。 (D 和 E) 由簇 (D) 或區(qū)域 (E) 著色的谷氨酸能類型的 UMAP 表示。 2.2 GABA能細(xì)胞類型分類 GABA能抑制性神經(jīng)元類別可分為兩個(gè)與不同發(fā)育起源相關(guān)的鄰域：尾神經(jīng)節(jié)隆起（CGE）（圖2A-2E）和內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起（MGE）（圖2F-2J）。值得注意的是，某些 CGE 細(xì)胞類型（例如，某些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）實(shí)際上可能是從附近的視前區(qū) (PO) 發(fā)育而來的。每個(gè)鄰域進(jìn)一步分為 3 個(gè)子類：CGE 中的 Lamp5、Sncg 和 Vip ， MGE 中的 Sst Chodl、Sst 和 Pvalb。在 CGE 鄰域中，Lamp5（主要是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）、Sncg 和 Vip 子類分為 4 個(gè)、5 個(gè)和 6 個(gè)超類型（圖 2D）。在 MGE 鄰域中，Sst Chodl 子類保留為一組（代表遠(yuǎn)程投影 Sst 細(xì)胞）； Sst 和 Pvalb 亞類分別分為 11 和 3 個(gè)超類型（圖 2I）。當(dāng)前的 CTX-HPF GABA能細(xì)胞在超類型水平上與先前研究中的源自皮質(zhì)區(qū)域 VISp-ALM和 MOp 的轉(zhuǎn)錄組分類法基本一致。如點(diǎn)圖（圖 2A 和 2F）和 UMAP（圖 2C 和 2H）所示，所有新皮層區(qū)域 GABA 能神經(jīng)元類型都與 HFP海馬結(jié)構(gòu)的 GABA 能神經(jīng)元類型共享，包括 RHP 區(qū)域。同時(shí)，研究還觀察到一組特定于或高度富集 HPF 的集群，其中包括 Lamp5 Lhx6、Ntng1 HPF、Vip Cbln4 HPF、Sst Lmo1 HPF 和 Sst Ctsc HPF 超類型，以及共享超類型中的選擇集群（圖 2A、2D、2F 和 2I）。相反，一些簇在 HIP 中基本上不存在（例如，Lamp5 Pax6、Sst Syndig1l 和 Sst Hpse 超型），而其他簇都具有 CTX 或 HPF 選擇性對(duì)應(yīng)物（例如，CTX 中的 Sst Myh8 和 Sst Etv1 簇與 HPF 中的簇），GABA能中間神經(jīng)元類型組成的最大區(qū)別在于 CTX 和 HIP 本身之間； RHP 區(qū)域通常同時(shí)包含 CTX 和 HIP 簇，只有少數(shù)例外。 對(duì)于 CGE，Ntng1 HPF 超亞型并不廣泛表達(dá) CGE 標(biāo)記基因 Prox1或其他子標(biāo)記基因 Vip、Sncg 或 Lamp5（圖 2A）。 HIP 中的 Ntng1+ 細(xì)胞可見于輻射層/腔隙層-分子邊界（圖 2E），可能是投射到 RSP 的三層細(xì)胞或輻射-海馬后神經(jīng)元。 Lamp5 Lhx6 超型在 HIP 中比在皮層中豐富得多，并且可能源自 MGE 而不是 CGE；它的簇 5、8 和 9 是 HPF 特定的，并由 海馬區(qū)（CA3區(qū)） 中的 Rxfp3 標(biāo)記（圖 2E）。超型 Vip Cbln4 HPF 中的簇 54 和 55 由 Qrfpr 標(biāo)記，也在 CA3 中表達(dá)（圖 2E）。 Sst 子類具有多個(gè)富含 HPF 的簇，其中大部分以 Npffr1 為標(biāo)記。 Sst Ctsc HPF 是一種高度獨(dú)特的 HPF 特異性超型；簇 102 和 103 由在 CA3 中表達(dá)的 Rxfp3 標(biāo)記，而簇 104 和 105 由在 DG（DG-po，也稱為 hilus）的多態(tài)層中表達(dá)的 Cxcr4 標(biāo)記（圖 2J）。 Cxcr4+ 細(xì)胞可能對(duì)應(yīng)于先前描述的肺門高性能相關(guān)路徑(HIPP) 或 DG 生長(zhǎng)抑素表達(dá)中間神經(jīng)元 (DG-SOMI)。研究還鑒定了具有獨(dú)特標(biāo)記 Ntf3 和 Sntb1 的 HIP 特異性 Pvalb 枝形吊燈細(xì)胞簇。 圖2. 新皮層和HPF的GABA能神經(jīng)元分類。 (A) CGE 簇的樹狀圖，點(diǎn)圖，顯示來自 10xv2 數(shù)據(jù)集的每個(gè)解剖區(qū)域和每個(gè)簇中標(biāo)記基因表達(dá)的每個(gè)簇內(nèi)的細(xì)胞比例。 點(diǎn)的大小和顏色分別表示每個(gè)簇中表達(dá)細(xì)胞的比例和平均表達(dá)水平。 (B 和 C) CGE 集群的 UMAP 表示，按集群 (B) 或區(qū)域 (C) 著色。 (D) 使用 (B) 中顯示的 UMAP 坐標(biāo)的 CGE 群集的星座圖。 簇按超類型分組。 80% 以上的細(xì)胞來自 HPF 的簇被標(biāo)記為綠色。 (E) 來自 Allen Mouse Brain Atlas (ABA) 的 RNA ISH，用于在 HPF 特定 CGE 超型中表達(dá)的選擇標(biāo)記。 (F-J) 與 (A)-(E) 相同，但適用于 MGE 集群。 2.3 谷氨酸能興奮性細(xì)胞類型分類法。 研究系統(tǒng)地鑒定了來自不同 HPF 區(qū)域的大量神經(jīng)元類型和亞類，這些神經(jīng)元類型和亞類與 CTX 中的神經(jīng)元類型和亞類非常不同。同時(shí)，在分類樹和 UMAP 中， HPF 和 CTX 細(xì)胞類型與新皮層神經(jīng)元類型（特別是 L2/3 IT、L4/5/6 IT 和 NP/CT/L6b 鄰域）間存在同源關(guān)系之間的差異（圖 1B-1E）。盡管存在區(qū)域差異，但研究通過搜索 HPF 和 CTX 之間的基因表達(dá)協(xié)變進(jìn)一步探索了這一點(diǎn)，并將每個(gè) HPF 細(xì)胞的基因表達(dá)與每個(gè) CTX 簇的平均表達(dá)相關(guān)聯(lián)。選擇與每個(gè) HPF 集群相關(guān)性最高的 CTX 集群作為匹配項(xiàng)，并按 CTX 子類聚合匹配項(xiàng)排列（圖 3A）。這種方法表明，大多數(shù) HPF 細(xì)胞類型與特定的 CTX 亞類相匹配。然后研究計(jì)算了相關(guān)性最高的 HPF-CTX 簇對(duì)之間 DE 基因的數(shù)量，這可以表明該對(duì)的整體相關(guān)性或相似度（DE 基因越少，相關(guān)性越高）。 CTX NP、CT 和 L6b 亞類CTX L2/3、L4/5 和 L6 IT 子類與它們?cè)?ENT、PPP 和 SUB 中的對(duì)應(yīng)中具有最大的相似性（圖 3A）。有趣的是，L3 IT ENT、L2 IT ENT1 和一些 L2/3 IT PPP 集群被映射到 L4/5 IT CTX。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了 SUB-ProS 和 HIP 細(xì)胞類型與新皮層細(xì)胞類型的相似之處。所有 SUB 和 ProS 集群都與 L5 PT CTX 最相關(guān)，集群 L5 PPP 263 也是如此（盡管距離更遠(yuǎn)）。 總體而言，這些相似之處與研究基于標(biāo)記基因的 HPF 簇注釋到相應(yīng)層一致，并提供了相互確認(rèn)。特別是，在 HPF 區(qū)域顯示相似類型和層特異性的一大組典型新皮層細(xì)胞類型標(biāo)記基因具有同源性，包括 L2/3/4 IT 類型的轉(zhuǎn)錄因子 Cux2 和 Lhx2、Fezf2、Pou3f1、Bcl6 L5 PT 及其相應(yīng)的 SUB-ProS-CA1 類型的 Bcl11b 和 Etv1，以及 CT/NP/L6b 類型的 Tle4 和 Foxp2 所有 CTX 和 HPF 區(qū)域的谷氨酸能細(xì)胞類型的圖形概要，基于以上和以下部分說明了所有超類型（以及每個(gè)超類型下的type類型）及其區(qū)域和層分布、潛在的投影模式以及 CTX 和 HPF 類型之間的同源關(guān)系（圖 3B）。 圖3. 新皮層和海馬結(jié)構(gòu)中谷氨酸能細(xì)胞類型的比較。 (A)HPF 簇與 CTX 亞類的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表示為總匹配的比例。下圖顯示了每個(gè) HPF 簇與其最匹配的 CTX 簇之間差異表達(dá)基因的數(shù)量。 CTX 和 HPF 中所有區(qū)域的谷氨酸能興奮性細(xì)胞類型概述。細(xì)胞類型由超類型和每個(gè)超類型內(nèi)的簇顯示。 CTX 和 HPF 由實(shí)線分隔。每個(gè) CTX 和 RHP 區(qū)域（但不是 HIP）中的細(xì)胞類型根據(jù)它們的層特異性從上到下顯示�；趯犹禺愋缘南嗨菩�，來自 RHP 區(qū)域的細(xì)胞類型與來自 CTX 的細(xì)胞類型對(duì)齊。 IT 類型以粉紅色橢圓形陰影，PT、NP、CT 和 L6b 類型帶有淡黃色橢圓形，HIP 類型帶有淡藍(lán)色橢圓形。每個(gè)橢圓形跨越每個(gè)超類型中的細(xì)胞來自的主要區(qū)域。在 CTX 中，大多數(shù)超類型跨越所有領(lǐng)域。給定超類型中的一些集群表現(xiàn)出對(duì)一個(gè)或幾個(gè)區(qū)域的偏好，這些集群顯示為包含在較大超類型橢圓中的較小橢圓。具有相似投影模式（腦內(nèi)、腦外/腦下或皮質(zhì)丘腦）的細(xì)胞類型按大括號(hào)分組。 2.4 海馬體結(jié)構(gòu)和亞突區(qū)細(xì)胞類型分布的多維變異。 在 DG/SUB/CA 鄰域中，DG、CA2 和 CA3 子類高度不同，而 SUB-ProS 和 CA1-ProS 子類更密切相關(guān)（圖 4A-4D）。 在 CA3 亞類中，根據(jù)多種標(biāo)記基因，包括 Gal、Rgs12、Glipr1、Necab1 和 Calb2（HPF 標(biāo)記）確定了一個(gè)肺門苔蘚細(xì)胞超型 Mossy Rgs12。 CA1、CA3 和 SUB 沿多個(gè)維度（淺表-深、近-遠(yuǎn)端和背腹）具有逐漸的基因表達(dá)和連接性變化。為了了解所有海馬體區(qū)域和亞細(xì)胞群與這些區(qū)域的三維空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系（圖 4E），研究使用 UMAP 和主成分分析（PCA）來評(píng)估CA/SUB 細(xì)胞類型之間的變異模式以及它們與先前描述的維度的相關(guān)性。 研究首先通過 CA1-ProS 和 SUB-ProS 亞類中所有細(xì)胞的一維 UMAP 提取一個(gè)驅(qū)動(dòng) CA1、ProS 和 SUB 變異的主軸，并發(fā)現(xiàn)該軸對(duì)應(yīng)于近端-遠(yuǎn)端 (Pr-Di)從 CA1 到 SUB 的梯度，其中每個(gè)階段的轉(zhuǎn)變都由一組不同的基因驅(qū)動(dòng)。為了檢查其他變異軸，作者還利用主成分分別分析研究了 CA1 和CA3（不包括 Mossy Rgs12 超型）并發(fā)現(xiàn)頂部 PC 對(duì)應(yīng)于背腹（Do-Ve）梯度（圖 4F-4I）。作者進(jìn)一步研究確定了一組核心基因，這些基因不僅在 CA1 和 CA3 中而且在 SUB/ProS 和 DG中指定了這種梯度，研究推測(cè)這可能是背腹梯度變化的核心部分。最后作者還對(duì)特定的基因進(jìn)行了原位成像（圖 4J）。 圖4. 海馬體結(jié)構(gòu)和下葉突谷氨酸能細(xì)胞類型的多維分布。 (A 和 B) DG/SUB/CA 細(xì)胞類型的 UMAP 表示，按區(qū)域 (A) 或簇 (B) 著色。 (C) DG/SUB/CA 集群的星座圖。 簇按超類型分組。 (D) DG/SUB/CA 集群的樹狀圖，帶有主要分支的注釋。 (E) 3D 和 2D 示意圖顯示海馬體結(jié)構(gòu)和下丘內(nèi)的空間軸：近端-遠(yuǎn)端 (Pr-Di)、淺表-深 (Su-De) 和背腹 (Do-Ve)。 (F) CA1中的細(xì)胞的 2D PCA 圖。 PC1 對(duì)應(yīng)于 Do-V 軸。 虛線顯示假定的 Su-De 分離。 (G) 小提琴圖顯示 CA1 簇沿 Do-Ve、Su-De 和活動(dòng)軸的分布。 (H 和 I) 與 (F) 和 (G) 相同，但適用于 CA3 細(xì)胞。 (J) Pr-Di、Do-Ve、Su-De 和 CA3、CA1、ProS 和 SUB 活性維度中細(xì)胞類型變異的總結(jié)。 每個(gè)圓圈代表一個(gè)集群，計(jì)算其單元成員沿四個(gè)維度中的每個(gè)維度的平均值。 2.5 貫穿新皮層區(qū)域的谷氨酸能神經(jīng)元類型的連續(xù)變化 研究分析了所有 CTX區(qū)域（即新皮層）的谷氨酸能神經(jīng)元亞類（IT、PT、NP、CT 和 L6b）的區(qū)域分布特異性。這些子類中的幾乎所有簇都包含來自多個(gè)新皮層區(qū)域的細(xì)胞。為了進(jìn)一步研究跨區(qū)域變化并排除具有強(qiáng)區(qū)域特異性的細(xì)胞類型，研究為每個(gè)子類創(chuàng)建了一個(gè)單獨(dú)的 UMAP（圖 5A），（例如，L4 RSP-ACA Scnn1a、L5 PT Chrna6 和向 HPF 的過渡類型）。研究發(fā)現(xiàn)每個(gè)子類中的單個(gè)簇占據(jù)梯度圖上的特定域，且相似的簇彼此靠近。為評(píng)估新皮層區(qū)域之間的全局關(guān)系，研究基于它們?cè)诿總�(gè)子類中的平均基因表達(dá)譜構(gòu)建了一個(gè)樹狀圖，并連接到所有子類中（圖 5B）。研究觀察到基于樹的以下分組：外側(cè)和前額葉區(qū)域 TPE/AI/PL-ILA-ORB、內(nèi)側(cè)區(qū)域 RSP/ACA、運(yùn)動(dòng)區(qū)域 MOp 和 MOs，然后是所有感覺區(qū)域包括AUD、SSp、SSs-GU- VISC、PTLp 和 VIS，每個(gè)子類的所有區(qū)域的成對(duì)相關(guān)熱圖揭示了與樹的一致模式，并再次將 TPE 和 RSP 顯示為最不同的區(qū)域（圖 5B）。然后，研究根據(jù)轉(zhuǎn)錄組評(píng)估了不同新皮層區(qū)域的可分離性（圖 5C）。在大多數(shù)情況下，細(xì)胞被優(yōu)先預(yù)測(cè)屬于它們被解剖的區(qū)域，尤其是內(nèi)側(cè)、外側(cè)和前額葉區(qū)域，遠(yuǎn)處區(qū)域之間幾乎沒有混淆，而相鄰區(qū)域之間存在相當(dāng)大的混淆，特別是對(duì)于感官區(qū)域。 L5 PT 和 L4/5 IT 的區(qū)域分離比其他子類更明顯（圖 5A）。研究還確定了有助于區(qū)域多樣性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄特征（圖 5D 和 5E）。 圖5. 新皮層中谷氨酸能細(xì)胞類型分布的區(qū)域梯度。 (A) 不同亞類中新皮層細(xì)胞的 UMAP 圖。 頂部是等皮質(zhì)區(qū)域的 2D 平面圖表示，根據(jù)它們?cè)?CCFv3 中的位置。 (B) 每個(gè)亞類皮質(zhì)區(qū)域之間相關(guān)性的熱圖。 (B)–(D) 的頂部是根據(jù)每個(gè)子類中的平均基因表達(dá)生成的皮質(zhì)區(qū)域的樹狀圖，并連接到所有子類中。 (C) 每個(gè)子類的皮質(zhì)區(qū)域可預(yù)測(cè)性的混淆矩陣。 行和列對(duì)應(yīng)于細(xì)胞的實(shí)際和預(yù)測(cè)區(qū)域數(shù)值，行加起來為 1。 (D) 每個(gè)亞類的區(qū)域特異性標(biāo)記基因的熱圖。 顏色對(duì)應(yīng)于每個(gè)區(qū)域中表達(dá)給定基因的細(xì)胞分?jǐn)?shù)。 (E) (D) 中標(biāo)記基因的 RNA ISH （原位雜交成像），顯示特定亞類的標(biāo)記基因表達(dá)的區(qū)域分布。 03 研究意義 該研究對(duì)新皮層和海馬結(jié)構(gòu)中超過130萬個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞測(cè)序分析，這樣的規(guī)模幾乎涵蓋了所有新皮層和古腦皮層的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，新皮層區(qū)域和 HPF 中有許多新的細(xì)胞類型；新皮層中的所有 GABA 能神經(jīng)元類型都與 HPF中的共享，并且 HPF 還包含其自身獨(dú)有的其他 GABA 能神經(jīng)元類型；新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的興奮性神經(jīng)元細(xì)胞在分子構(gòu)成上有很多相似之處，具有同源性（這種同源關(guān)系得到了兩個(gè)共享分子特征的支持，包括經(jīng)典轉(zhuǎn)錄因子和類似的特定層分布）；此外，新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的細(xì)胞都在分布上呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化。 研究揭示了整個(gè)新皮層和海馬結(jié)構(gòu)的分子組織結(jié)構(gòu)，表明這兩種主要大腦結(jié)構(gòu)之間存在進(jìn)化上保守的細(xì)胞和回路組織。這一成果為今后的腦科學(xué)的功能研究打下了基礎(chǔ)。 |
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