超百人科研团队合作，取得重大成果：全球首个猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱公布

将猕猴大脑皮层中超过4200万个单细胞分成264种类型，并把它们绘制在一张三维“地图”里。全球首个猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱7月12日在国际著名学术期刊《细胞》在线发表。

这项研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）与华大生命科学研究院、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI Lab、深圳国家基因库、瑞典皇家理工学院、卡罗林斯卡医学院等机构的106人科研团队合作完成。

猕猴大脑皮层细胞图谱的绘制完成，是人类探索大脑奥秘的里程碑。该成果对于神经科学的重要性，堪比元素周期表之于化学、世界地图之于地理、人类基因组测序之于生命科学。

挑战最难模式动物

想要破解大脑的奥秘，困难重重。其中一个重要原因是，大脑神经细胞的结构与功能的多样性非同一般。在过去的研究中，科研人员根据细胞形态、电生理特征、神经元投射，以及表达分子的组合和转录组，将大脑神经细胞分成不同的类型。这些不同种类的神经细胞，分布在大脑的不同皮层中，执行不同的功能。而绘制出一张完整的大脑细胞分布图，将推动神经科学的研究迈向一个全新的台阶，因此成为各国神经科学家们争夺的主战场之一。

图1. 总体实验设计。利用Stereo-seq技术采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米切片的空间转录组数据。同时利用显微切割结合单细胞核转录组测序技术了获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞核转录组数据。通过单细胞核转录组和空间转录组整合分析，绘制了食蟹猴大脑全皮层的三维单细胞空间分布图谱。

在神经科学的模式动物里，斑马鱼有10万个神经细胞、小鼠有7000万个神经细胞，猕猴有60亿个神经细胞，绘制它们细胞图谱的难度相应呈现出跨越式的增加。然而，作为最接近人的模式动物，猕猴具有更高的认知和社会能力，同时具有更大的皮层和更多细胞类型。因此，解析猕猴皮层中细胞亚型的组成及其空间分布规律，对于阐明灵长类乃至人类大脑的组织规律至关重要。

2021年，脑智卓越中心科研团队迎难而上，与华大进行合作，利用双方在脑图谱研究和时空组学技术的各自优势，共同开启猕猴大脑细胞图谱的绘制工作。

新技术+AI助力图谱绘制

研究人员利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq技术，采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米切片的空间转录组数据。同时，通过高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq，获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞核转录组数据。

图2. 猕猴大脑皮层细胞类型空间分布图谱。(A) 数百种细胞类型在猕猴大脑不同位置（上）以及5张典型代表性切片（下）上的空间分布。（B）多种细胞类型呈现各层面的分布特异性。（C）五种细胞类型及其特征基因的空间分布和表达模式。

基于从邻近切片中获得的150万个细胞，研究人员通过snRNA-seq分 型，确定了264种不同的细胞类型，进而绘制了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树。在引入腾讯人工模型之后，研究团队实现了对161张切片的人工智能单细胞识别及细胞分型注释，大大加快了图谱绘制的效率。

最终，科研团队获得了猕猴全皮层的三维单细胞空间分布图谱，为系统分析细胞类型在皮层内各层面特异和区域特异的分布，以及基因表达特征提供了目前最完整的灵长类大脑数据。

“天书”开启研究新路

在图谱的绘制过程中，科研团队仅仅通过观察细胞的分布，就有了一系列全新的发现。例如，大量兴奋性神经元、抑制性神经元及非神经元细胞在大脑皮层中的分布呈现明显的各层面及各脑区的特异性；视觉和躯体感觉系统的细胞类型组成与脑区层级组织之间存在显著的相关性，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型组成，揭示了细胞组成和脑区结构之间的关系；通过与公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行跨物种比较，发现灵长类特有的分布于第四层的兴奋性神经元细胞，并且这些细胞高度表达与人类疾病相关的基因，包括FOXP2, DCC以及EPHA3等。

图3. 猕猴大脑皮层细胞类型及基因表达数据库。

中国科学院院士、海南大学校长骆清铭指出，这项研究获取了最完整的猕猴大脑全皮层的转录组数据，构建了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，成功绘制了三维单细胞空间分布图谱，揭示了细胞类型的组成和灵长类脑区层级结构之间的关系。这项工作为进一步理解脑结构和功能提供了重要的基础数据库，将有助于理解脑细胞的构成以及脑疾病发生发展的原因，是具有里程碑意义的进展。目前，猕猴全脑皮层的单细胞以及空间转录组数据已实现公开共享。

中国科学院院士、中国科学院脑智卓越中心学术主任蒲慕明表示，人类基因组计划完成之后，人类仅仅获得了一本难以理解的“天书”，依然需要花费大量研究去解读。此次猕猴大脑细胞图谱的绘制完成，也只是收获了另一本“天书”，下一步不仅需要对不同脑功能区的细胞进行详细研究，对个体之间、健康与病患之间的细胞进行差异比较，还需要进一步绘制大脑细胞的联接图谱和大脑细胞的功能图谱，才能真正对大脑奥秘有深入的了解。