介观脑图谱联盟（MBMC）致力于构建一个国际性的脑图谱研究交流与合作平台，以揭示支撑认知功能的脑网络的组织原理。本专题汇集了涵盖啮齿类至灵长类脑的研究论文，重点利用转录组学和联接组学技术，深入阐释脑组织、发育、演化及脑疾病的规律与脑网络的基本联接规律。这些跨物种比较研究不仅揭示了演化过程中细胞类型组成的变化规律，深入探究了其潜在机制，还阐明了脑疾病中细胞组成或局部细胞微环境的变化。

Cell Press细胞出版社荣幸推出本联盟发表在Cell、Neuron和Developmental Cell期刊上的研究成果。此项工作得到了中国国家科技创新 2030—“脑科学与类脑研究”重大项目资助。

人脑作为宇宙中最复杂的结构之一，其精细的细胞组成与联接图谱一直是神经科学的圣杯。自西班牙神经学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔开创神经元学说以来，科学家们便致力于在细胞层面解密大脑的组织原则。近年来，单细胞RNA测序、高分辨率脑成像和生物信息学的突破性进展，使得绘制全脑尺度的细胞类型图谱和联接图谱成为可能。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的孙衍刚、蒲慕明、海南大学骆清铭在Cell上在线发表了一篇题为“Mesoscopic mapping of the brain: from rodents to primates”的重磅评述，聚焦由“介观脑图谱联盟”（Mesoscopic Brain Mapping Consortium）近期在Cell、Neuron和Developmental Cell等期刊上发表的多项研究，系统性揭示了从啮齿类到灵长类大脑的介观（介于微观单细胞与宏观脑区之间）组织结构、发育演化规律、疾病机制，并指明了未来研究的核心方向。

介观脑图谱联盟的这一合集涵盖从啮齿类到灵长类动物的大脑研究文章，重点展示了利用转录组学和联接组学技术对大脑组织、发育、进化及脑疾病的深入见解。

恒河猴屏状核单细胞空间转录组图谱与全脑联接组研究

屏状核通过其与众多脑区的连接协调大脑功能，但其分子和细胞组织构成仍未阐明。基于227,750个恒河猴屏状核细胞的单核RNA测序（snRNA-seq），该研究鉴定出48种转录组定义的细胞类型，其中大多数谷氨酸能神经元与岛叶深层神经元相似。对恒河猴、狨猴和小鼠转录组的比较揭示了恒河猴特异性细胞类型。通过在67个皮层区域和7个皮层下区域注射逆行示踪剂，该研究定义了逆行标记屏状核神经元的四个不同分布区。对全脑联接组和单细胞空间转录组的联合分析表明，这四个区包含组成不同的谷氨酸能（而非GABA能）细胞类型，它们偏好性地与特定脑区形成具有强烈同侧偏向性的连接。位于腹侧与背侧屏状核区的若干恒河猴特异性谷氨酸能细胞类型，分别选择性共投射至两个功能相关的区域：内嗅皮层和海马体 vs. 运动皮层和壳核。这些数据为阐明屏状核多种功能背后的神经元组织结构提供了研究基础。

猕猴前额叶皮层单神经元投射组揭示高度精细化的轴突靶向与末梢分支结构

皮层扩张伴随着灵长类动物高级认知功能的出现，而对全脑单神经元投射组的分析有助于阐明其潜在的神经环路机制。该研究重构了猕猴前额叶皮层（PFC）的2231个单神经元的投射组，涵盖了端脑内侧束（IT）神经元、锥体束（PT）神经元和皮层丘脑（CT）神经元，并基于投射组鉴定出了32种神经元亚型。各种亚型展现出：1)在PFC内独特的胞体空间拓扑分布；2)特征性的轴突靶向模式；3)在靶区内亚区特异性的斑块状末梢分支结构。该研究对各种神经元亚型的潜在生物学功能也进行了注释。此外，该研究识别出了PFC内部的联接网络以及广泛的局部轴突分布。与小鼠相比，猕猴PFC单细胞投射组在靶区的末梢分支表现出相似的空间梯度分布，但其靶向特异性显著更高、旁支数目更少、且相对末梢分支范围更小。因此，猕猴单神经元的全脑投射组揭示了高度精细化的轴突靶向和末梢分支模式，为理解灵长类复杂脑功能的结构基础提供了重要的线索。

成年小鼠外周神经系统的亚细胞分辨率高速成像图谱

相较于哺乳动物大脑介观尺度联接组图谱绘制的快速进展，对机体尺寸巨大且结构复杂的外周神经系统进行类似的高分辨率全系统绘图仍具挑战性。该研究展示了一种高速切面扫描三维成像系统，结合优化的全身组织透明化流程，可在40小时内以亚细胞级分辨率对成年小鼠全身进行成像。在 Thy1-EGFP 转基因小鼠中对单个脊神经元的三维重建，揭示了胸段脊神经感觉神经元具有跨越多肋骨节段的广泛投射特征，显著区别于运动神经元。免疫染色实现了交感神经及其分支的全身图谱绘制，凸显了其在躯干、四肢及大多数内脏器官中呈现的伴血管分布模式。病毒示踪技术阐明了迷走神经全身投射的精细结构，揭示了单个迷走神经元的复杂走行路径。本方法为实现对机体生理与疾病状态下的不同系统间细胞水平相互作用的整体性理解提供了有效途径。

猕猴大脑细胞类型特异性增强子的鉴定与应用

灵长类（猕猴）动物是解析高等认知功能的理想模型，其大脑由多种复杂细胞组成。但是用于观测和操控特定神经元活动的靶向手段在灵长类脑研究中尚未广泛应用，这主要是因为缺乏能够特异性标记灵长类大脑不同细胞类型的分子遗传工具。为解决这一需求，研究团队建立了多组学增强子预测系统、猕猴在体筛选和多重验证系统，最终鉴定得到能够特异性标记猕猴皮层不同层兴奋性神经元、三种抑制性神经元亚型及胶质细胞的增强子。跨物种验证揭示了仅部分增强子在小鼠中具有功能保守性，揭示了大脑顺式调控元件的进化差异。标记特异性可通过Flpo依赖的双增强子正交策略进一步提升。此外，通过在猕猴视觉皮层观测和操控特定细胞类型的活动，进一步展示了这些增强子病毒工具的实用性。最后，研究团队利用上述增强子生成112种AAV载体工具集，支持灵长类皮层9种主要细胞类型结构及功能靶向研究，为深入理解灵长类脑结构、脑认知及未来精准靶向脑疾病治疗提供了关键技术。标志着灵长类脑科学进入了精准细胞类型研究新阶段。

哺乳动物下丘脑发育的保守性与创新性

下丘脑——一个“古老”的皮层下脑结构——负责维持机体的生理稳态并调控本能行为。在哺乳动物进化过程中，下丘脑如何精确控制这些功能？这既依赖于神经元在发育过程中的灵活分化，也依赖于高度保守的神经模式形成机制。该研究结合单细胞和空间转录组技术，绘制了人类、猕猴和小鼠下丘脑在发育过程中的细胞图谱，追踪了不同神经元的起源和演化路径。我们发现协调下丘脑模式生成的区域组织中心（“三级组织者”）在灵长类和啮齿类动物间具有保守性，也鉴定了不同的神经前体细胞群并重构了它们的神经发生谱系。尽管下丘脑的模式生成和谱系树是保守的，但该研究鉴定出一个人源富集的神经元亚型，并发现人类神经元中的受体、通道和突触蛋白的表达都显著增加。此外，跨物种比较揭示：1)人类两种神经内分泌神经元存在更广泛的分布； 2)人类下丘脑多巴胺神经元中神经递质间耦合及递质-神经肽耦合模式发生了转变。综上所述，该研究为理解哺乳动物下丘脑的细胞发育与进化奠定了关键证据。

基因组进化重塑羊膜动物脑内细胞类型的多样化

历经超过3.2亿年的进化，羊膜动物通过很大程度上尚未被探索的遗传及基因表达机制，发展出复杂的大脑和认知能力。该研究创建了一个全面的单细胞图谱，涵盖来自龟、斑胸草雀、鸽、小鼠和恒河猴的端脑和小脑的130多万个细胞，并利用单细胞分辨率空间转录组学验证跨物种基因表达模式。该研究揭示了细胞类型显著的物种特异性变异，凸显了它们在进化中的保守性与多样性，发现鸟类与哺乳类之间在端脑兴奋性神经元 (EXs) 和小脑细胞类型上存在显著差异。鸟类主要在兴奋性神经元中表达SLC17A6，而哺乳类则在新皮层中表达 SLC17A7，在其他区域表达SLC17A6，这可能源于鸟类SLC17A7的功能丧失。此外，该研究鉴定出一种鸟类特异的浦肯野细胞亚型 (SVIL+)，该亚型提示赖氨酸特异性去甲基化酶 11 (LSD1)/KDM1A通路参与学习与昼夜节律调控，并含有大量正选择基因，这表明小脑功能为适应生态和行为而发生了进化优化。该研究的发现阐明了遗传进化与环境适应之间复杂的相互作用，强调了遗传多样性在羊膜动物特化细胞类型发展中的作用。

小鼠全脑单细胞空间转录组图谱

一个涵盖整个哺乳动物大脑的基因、细胞类型及其空间分布的综合图谱，对于理解大脑功能至关重要。本研究该研究利用单核RNA测序 和Stereo-seq技术，构建了一个包含单细胞分辨率空间信息的小鼠大脑图谱，该图谱涵盖了308个细胞簇（涉及超过400万个细胞）以及29,655个基因。我们该研究鉴定出偏好特定皮层亚区的细胞簇，并探索了它们与脑相关疾病的关联。此外，我们该研究精确定位了155个在脑干内具有独特区域表达模式的基因，并揭示了513个在成年大脑中呈现区域富集表达的长链非编码 RNA 。基于空间转录组信息的脑区精细分区揭示了148个脑区的细微结构。更进一步，我们该研究发现了411个在神经发育过程中展现出独特时空动态的转录因子调控子 。因此，该研究我们构建了一个具有全基因组覆盖的小鼠大脑单细胞分辨率的空间转录组图谱。

绘制单神经元投射谱揭示小鼠脑内体感上行通路的组织机制

将多模态体感信息从脊髓传递至大脑的中继过程对感知至关重要，但其背后的神经网络组织机制仍不明确。该研究以单细胞分辨率重建了小鼠颈髓投射神经元，并鉴定出了19种基于投射谱的神经元亚型，这些亚型展现出多样的轴突投射模式。同时，该研究还重建了接收脊髓直接输入的脑内中继神经元在全脑范围的轴突投射（同样达到单细胞分辨率），并发现脊髓投射神经元与中继神经元的平行投射、发散投射和会聚投射模式。所有研究结果共同揭示了脊髓信息传递至皮层的多样化通路。此外，该研究鉴定了平行的外侧与内侧脊髓-上丘-脑干通路，这些通路可能分别调控定向行为与防御行为。该研究利用这些数据构建了一个具有投射组定义亚型分辨率的上行体感通路联接图谱，并且单细胞投射谱的绘制也为理解多种体感模态协同处理背后的复杂神经环路提供了新框架。

阿尔茨海默病人脑海马单细胞分辨率的空间转录组图谱

该研究采用Stereo-seq技术结合单核RNA测序 (snRNA-seq)，探究了正常人与阿尔茨海默病 (AD) 患者海马体各亚区基因表达的差异模式。基于全基因组范围的空间转录组数据，对海马进行精细的亚区划分，系统解析了各亚区的细胞组成、基因表达模式、空间分布及关键分子通路的变化，包括：1)在AD患者中，海马伞（fimbria）区域突触修剪相关基因显著上调，并伴随小胶质细胞与星形胶质细胞通讯的紊乱，这可能导致突触结构异常，进而影响神经功能；2)海马角 (CA) 区域整体能量生成增强，但其各亚区改变程度各异；3)研究还观察到CA1亚区神经元数量显著减少，而CA4亚区神经元相对稳定，提示CA4可能在AD中具有一定的代偿能力；4)β淀粉样蛋白 (Aβ) 斑块沉积主要存在与CA1 亚区以及透明层、辐射层和分子层 (SLRM) 亚区，且相邻的Stereo-seq图谱与Aβ染色整合后发现，小胶质细胞和星形胶质细胞在Aβ斑块周围呈现出先后富集的分布顺序。最后，发现AD 患者血浆中携带胆囊收缩素 (CCK) 和外周髓鞘蛋白2 (PMP2) 的脑源性细胞外囊泡减少，这一发现为深入理解海马在神经退行性疾病中的作用提供了新的视角，并为AD的早期诊断和干预策略提供了重要线索。

小鼠脑出血单细胞分辨率时空转录组图谱

脑出血是一种常见且致死率和致残率较高的脑血管病。尽管临床治疗手段不断进步，但由于对其复杂病理过程的认知仍存在局限性，脑出血患者的预后依旧欠佳。为破解这一科学难题，该研究首次构建了脑出血后小鼠脑组织的单细胞分辨率时空转录组图谱，覆盖目前该领域最广泛的时间维度。该数据集不仅呈现了基因表达随时间空间动态变化的详细信息，还揭示了高分辨率的细胞及分子层面改变。该研究共鉴定出100个细胞亚群，其中17种被证实在脑出血的病理过程中发挥关键作用。同时，该研究还比较了胶原酶模型、自体血模型与脑出血患者尸检脑组织之间在细胞分子方面表达的异同点。综上，该研究深化了对脑出血后脑细胞在局部与全脑水平响应机制的理解，所构建的资源为脑出血基础研究提供了宝贵支撑，有望为该疾病的治疗突破带来新的契机。

“介观脑图谱联盟”正构建国际协作平台，致力于揭示认知功能的脑组织原则，长期聚焦灵长类与人脑介观图谱。尽管技术已取得变革性突破，但障碍依然严峻。全球学界需携手攻克这些挑战，共同绘制人脑的“宇宙地图”。这不仅将推动脑认知、发育、衰老与疾病机制的解析，更将为新一代人工智能算法与系统提供革命性灵感。大脑介观图谱的征程，是一场需要全人类智慧共同参与的伟大探索。

来源 https://mp.weixin.qq.com/s/rtmpvJ0mY9rxg_dRFGRBDA