摘要

人类大脑皮层包含数十亿不同类型的细胞，具有极其复杂的细胞多样性。这些细胞的空间组织和相互作用在塑造和维持各种大脑功能方面发挥着关键作用。例如，神经元和非神经元细胞之间的相互作用对于轴突传导、突触传递和组织稳态至关重要，并且是大脑正常功能所必需的。这种细胞间相互作用的破坏会导致各种神经系统疾病，例如自闭症、精神分裂症和阿尔茨海默病。但这些不同类型的细胞是如何组织的、以及不同物种的细胞组织是如何变化的——仍不清楚。研究人类大脑皮层中的特定细胞类型及其分子表型尤其困难。

在这项研究中，研究人员使用多重的容错荧光原位杂交（MERFISH，multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization）对4000个基因进行的单细胞分析，以确定人类和小鼠大脑皮层内细胞类型的空间分布。他们鉴定出100多个转录谱不同的细胞群，并从分子定义的角度生成了一个人类大脑颞上回和颞中回（middle and superior temporal gyrus）的空间分辨细胞图谱。作者还进一步探讨了由体细胞接触或接近引起的、具有细胞类型特异性的细胞间相互作用，他们发现小鼠和人脑中具有不同的特定细胞类型的关联模式，人类比小鼠有更多的特异性神经元，而且这些细胞与相似的神经元细胞类型有更大的接近性和相互作用。通过对受体-配体对的研究，研究人员发现了神经元和小胶质细胞之间可能的接触，这可能解释了为什么某些基因与神经退行性疾病有关。研究数据揭示了人类特有的细胞-细胞接近模式、人类皮层神经元和非神经元细胞之间相互作用的显著增强、以及细胞层状组织的保守性，和不同物种之间的体细胞相互作用的差异。

技术背景：人类皮层的单细胞转录组成像

单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 分析揭示了人类颞中回 (MTG) 中转录谱不同的细胞群的多样性。将 scRNA-seq 与显微切割相结合，以及最近针对 120 个基因的原位测序，揭示了人类 MTG 中这些转录定义的神经元细胞类型（特别是兴奋性神经元）的层状组织。然而，这些研究并没有以高分辨率阐明细胞类型之间的空间关系，并且仍然缺乏对这种高度多样性的细胞类型之间的细胞-细胞相互作用的系统表征。单细胞转录组学和表观基因组学分析也为小鼠、狨猴和人类皮质中细胞多样性和细胞类型的分子特征的进化提供了丰富的见解，但它们之间的空间关系和相互作用如何不同细胞类型因物种而异仍然很大程度上不清楚。

单细胞转录组成像允许对单个细胞进行原位基因表达谱分析，因此可以对复杂组织中的细胞类型组织进行高分辨率空间映射。

这里样本分别来自神经外科手术新鲜冷冻人类 MTG（颞中回）切片（5份，分别来自36岁和32岁两个男性个体）和死后大脑STG（颞上回） 样本的5份切片（来自两个男性个体，29 和 42 岁） 。结果表明MTG和STG样本具高度相关性/重现性。

单细胞转录组图谱分析的 4000 个基因包括了来自 MTG 单核 SMART-seq 数据中聚类的 764 个差异表达的标记基因；和随机选择的其他表达基因（以增加基因覆盖率，并有机会发现在 SMART-seq 数据中未发现的潜在标记基因）；以及功能上重要的基因如配体和受体。用这 4000 基因 MERFISH 数据的单细胞表达谱来识别转录谱不同的细胞群。