发布时间:2018-03-15 16:37 原文链接: 中科院,北京大学,首都医科大学合作发表Nature新论文

   中科院生物物理研究所,北京大学,北京大学第三医院和首都医科大学附属安贞医院的研究人员发表了题为“Single-cell RNA-Seq surveys a developmental landscape of the human prefrontal cortex”的文章,绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱,并对其中关键的细胞类型进行了系统的功能研究,为绘制最终完整的人脑细胞图谱,奠定了重要的基础。

  这一研究成果公布在今日(美国时间3月14日)的Nature杂志上,文章的通讯作者为中国科学院生物物理研究所王晓群研究员、北京大学第三医院乔杰院士、北京大学汤富酬研究员和首都医科大学附属安贞医院张军教授。第一作者为博士生钟穗娟、博士生张书、范晓英博士、吴倩博士和闫丽盈博士。


Monocle分析解释人前额叶皮层发育的细胞谱系图

  前额叶皮层参与人脑的高级智力活动,是人类思想的重要物质基础,从灵长类祖先进化到现代人类的过程中,大脑容量增加了三倍,而这增加的部分主要体现在前额叶皮层面积的增加上。前额叶皮层是大脑中最重要的区域之一,具有极其复杂而且广泛的神经分布和双向联系,例如,前额叶皮层和丘脑、尾状核、苍白球、杏仁核和海马之间有着丰富的直接联系,再通过这些结构与下丘脑和中脑之间实现着间接的神经联系,而这些神经联系,是前额叶皮层多种生理心理功能的重要生物学基础。

  但我们对于“人脑前额叶到底由哪些细胞组成,这些细胞又是如何在胚胎发育过程中产生的”这些关键的脑科学问题知之甚少。

  在该研究中,研究人员通过单细胞转录组测序发现在动态发育的人类胚胎前额叶皮层中,主要由神经干细胞、兴奋性神经元、抑制性神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等六大类细胞组成,并进一步把这六大类细胞精确地划分为35个独立的细胞亚型,并进一步深入挖掘了各个细胞类型的关键基因表达特征及其重要生物学含义。

  研究人员还发现中间前体细胞IPC对于神经发生、特别是灵长类动物的神经发生同样起着重要的作用。通过系统的数据分析和多层次的实验验证,研究人员提出IPC的产生具有两个关键爆发期,一个是在胚胎发育10周左右,这些IPC主要由RG大量产生,而另一个峰值则发生在胚胎发育16周左右,这些IPC由oRG大量产生。正是通过IPC的这两个爆发期的形成,数量庞大的神经元才能在短暂的大脑皮层发育时期内快速生成,并形成了结构复杂、功能丰富的前额叶皮层。

  在前额叶皮层中起着尤为关键作用的是众多的神经元细胞,在过去的认识中,我们只知道绝大部分的新生神经元在人类胎儿出生前已经开始分化和迁移,但对这些关键的神经发育事件的具体发生时间却知之甚少。

  研究人员通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘,首次揭示了在人类大脑前额叶皮层发育过程中兴奋性神经元生成、迁移和成熟的三个关键阶段:

  (一)8-12周神经干细胞大量增殖阶段;

  (二)13-16周神经干细胞分化并大量产生新生神经元同时伴随着新生神经元的迁移阶段;

  (三)19-26周,神经元开始逐渐成熟,表达关键功能蛋白并初步形成有功能的神经网络的阶段。

  神经元细胞形成具有功能的神经网络的过程是大脑发育的一个非常重要的阶段,王晓群课题组利用电生理等手段对人类围产期26周的前额叶皮层进行了深入的功能研究,发现在前额叶皮层中很多神经元已经具备了正常发放钠钾电流的能力,在深层脑区的神经元更是具备了发放EPSC和IPSC等功能。

  另外,该研究也对于脑发育领域内一直存在分歧的问题进行了探索。例如,对于抑制性神经元是否能在皮层中原位产生的问题过去一直是众说纷纭,一种观点认为皮层的抑制性神经元只来源于位于大脑腹侧的神经节隆起区域(ganglionic eminence),并进而迁移到皮层;而另一种观点则认为有少量的抑制性神经元可能是皮层自身原位产生的。

  为了解开这个谜题,研究人员通过单细胞转录组测序和免疫染色等技术手段,发现在早期的前额叶皮层中已经存在少量的抑制性神经元的前体细胞,但这部分的前体细胞大多数处于细胞周期的静息期,很可能暂时并不具备分裂生成神经元的活性。同时,转录组数据分析也表明,前额叶皮层中兴奋性神经元的成熟要早于抑制性神经元。

相关文章

Nature:科学家成功揭示神经递质转运蛋白的精细化结构

神经元能通过一种称之为神经递质的化学信号来彼此交流沟通,近日,一篇发表在国际杂志Nature上题为“Mechanismsofneurotransmittertransportanddruginhibi......

连接数千个人工神经元,自适应神经连接光子处理器问世

德国明斯特大学、英国埃克塞特大学和牛津大学联合团队现已开发出一种所谓的基于事件的架构,该架构使用光子处理器,通过光来传输和处理数据。与大脑类似,这使得神经网络内的连接不断适应成为可能。这种可变的连接是......

PNAS:将大脑中的免疫细胞直接转化为神经元有助于中风后的运功功能恢复

在一项新的研究中,来自日本九州大学的研究人员发现将大脑中称为小胶质细胞的免疫细胞直接转化为神经元可成功恢复小鼠中风样损伤后的大脑功能。这一发现表明,利用免疫细胞补充神经元可能是治疗人类中风的一条很有前......

瘫痪有救了!科学家找到了修复脊髓损伤的关键神经元,并开发出基因疗法

近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)、加州大学洛杉矶分校(UCLA)和哈佛大学医学院的研究团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为:Recoveryofwalkingafterparalys......

《科学》等多期刊连发21项研究,迄今最全人脑细胞图谱发布!

12日,同时发表在《科学》《科学进展》和《科学·转化医学》杂志上的21项研究,公布并详细解释了迄今为止最全面的人类脑细胞图谱。这些研究对3000多种人类脑细胞类型进行了特征分析,阐明了某些人类脑细胞与......

远古海洋动物“讲述”神经元起源的故事

扁形动物只有差不多一粒沙那么大,以一些浅海岩石表面的藻类和微生物为食。它简单到没有任何身体部位或器官。然而,西班牙巴塞罗那基因组调控中心研究人员在最新一期《细胞》杂志上发表论文称,在这些独特而古老的海......

我国科学家发现脓毒症引起认知障碍的新机制

脓毒症脑病是指非中枢神经系统感染的脓毒症引起的弥漫性脑功能障碍,是脓毒症最严重的并发症之一,特征表现为认知功能和意识状态的改变,包括注意力下降、昏睡、谵妄和情绪异常等。既往研究发现,单胺类神经递质紊乱......

一种电子神经植入物可记录神经元活动

据发表在最新一期《科学》杂志上的一项研究,一种通过血管输送的超小型、超柔韧的电子神经植入物可记录大鼠大脑深处的单个神经元活动。这项技术可作为与大脑深部区域的长期、微创生物电子接口。脑机接口(BMI)可......

一种全新的非侵入性人工冬眠技术

冬眠是一种特殊的生理状态和生存策略。在冬眠状态中,哺乳动物如熊和一些啮齿类动物通过抑制新陈代谢、降低体温和减缓其他生理过程以节约能量,来应对致命的环境压力。最新研究发现,冬眠状态受大脑控制,而大脑则充......

睡眠对记忆建立和突触可塑性的重要意义

人类以及果蝇、海兔等生物都需要睡眠来巩固记忆。关于睡眠是否改变特定神经元之间的突触从而巩固记忆和影响行为,是生物学领域重要且具挑战性的问题之一。秀丽隐杆线虫只有302个神经元,其大多数神经元的特征和功......