單細(xì)胞與空間組學(xué)技術(shù)助力繪制小鼠大腦細(xì)胞空間圖譜

文章題目：A high-resolution transcriptomic and spatial atlas of cell types in the whole mouse brain
發(fā)表時間：2023.12
期刊名稱：Nature
影響因子：58.39
實(shí)驗(yàn)平臺：10x單細(xì)胞測序；MERFISH數(shù)據(jù)集

01 研究概述

1.繪制小鼠全腦細(xì)胞類型圖譜

首先利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析（scRNA-seq）和單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組分析（snRNA-seq）鑒定了小鼠大腦細(xì)胞類型，并結(jié)合MERFISH數(shù)據(jù)，根據(jù)空間位置及細(xì)胞類型將這些細(xì)胞分為7個鄰域，后續(xù)進(jìn)行深入的分析。

Fig.1 小鼠全腦細(xì)胞類型圖譜

2. 小鼠大腦神經(jīng)元空間分類

神經(jīng)元細(xì)胞類型在全腦細(xì)胞類型中占很大比例，并具有高度的區(qū)域特異性。接下來對神經(jīng)元細(xì)胞群進(jìn)行深入分析，確定不同神經(jīng)元細(xì)胞類型的區(qū)域特異性。結(jié)果共鑒定了6個神經(jīng)元亞群的鄰域：（1）在大腦皮層結(jié)構(gòu)（包括同皮質(zhì)、海馬、嗅覺區(qū)等區(qū)域）形成一個獨(dú)特的大腦皮層-谷氨酸鄰域；（2）大腦皮層下衍生的 GABA 能（ γ-氨基丁.酸）神經(jīng)元亞類；（3）來自整個下丘腦以及紋狀體樣杏仁核區(qū)域的HY-EA-Glut-GABA鄰域；（4）丘腦以及內(nèi)側(cè)束（MH）和外側(cè)束（LH）的TH-EPI-Glut神經(jīng)元鄰域；（5）中腦（MB）-后腦（HB）-谷氨酸-血清素-多巴胺神經(jīng)領(lǐng)域；（6）MB-HB-CB-GABA，包含位于中腦、后腦和小腦的所有 GABA 能亞類。

Fig.2 神經(jīng)元細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組及空間分布特征

3. 非神經(jīng)元和未成熟的神經(jīng)元細(xì)胞類型分類空間分布特征

NN-IMN-GC鄰域包括5個非神經(jīng)元細(xì)胞類型、4個未成熟神經(jīng)元類型和4個顆粒細(xì)胞類型。在所有的非神經(jīng)元細(xì)胞類型中，Astro-Epen類表現(xiàn)出最多樣化的空間模式。室管膜的五個亞類分布在整個大腦腦室的不同部位，表現(xiàn)出精細(xì)的空間特異性。VLMC類型表現(xiàn)出高度特異的空間和共定位模式。

Fig.3 非神經(jīng)元和未成熟的神經(jīng)元細(xì)胞類型分類空間分布特征

4. 大腦區(qū)域特定的細(xì)胞類型特征

最后，為了比較所有細(xì)胞類型轉(zhuǎn)錄組相似性和空間分布鄰近性的關(guān)系，使用腦組織MERFISH數(shù)據(jù)集，量化了所有細(xì)胞亞類的全腦空間分布模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有神經(jīng)元亞類局限于特定的腦區(qū)，而非神經(jīng)元亞類在整個大腦分布更廣泛，并且轉(zhuǎn)錄組更相近的細(xì)胞類型在空間上彼此位于更近的位置。此外，不同區(qū)域細(xì)胞類型的數(shù)量與細(xì)胞數(shù)量沒有相關(guān)性，下丘腦、中腦和后腦區(qū)域包含最多的細(xì)胞聚類，并且在這些細(xì)胞類型較復(fù)雜的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)細(xì)胞類型之間的轉(zhuǎn)錄組更加相似，這表明這些區(qū)域的細(xì)胞類型層次化程度較低。

Fig.4 大腦區(qū)域特定的細(xì)胞類型特征

02 文章小結(jié)

本研究通過單細(xì)胞聯(lián)合空間技術(shù)，繪制了小鼠整個大腦空間細(xì)胞圖譜，并系統(tǒng)地分析了大腦中的神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞類型，確定了每種細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組和空間特異性之間的相關(guān)性。結(jié)果揭示了不同大腦區(qū)域細(xì)胞類型組織的獨(dú)特特征，特別是大腦背側(cè)和腹側(cè)部分的二分性。背側(cè)部分包含相對較少但高度分化的神經(jīng)元類型，而腹側(cè)部分包含更多數(shù)量的神經(jīng)元類型�？傊�，完整小鼠大腦空間細(xì)胞圖譜的繪制，為大腦相關(guān)研究建立了參考圖譜和理論依據(jù)。