研究背景：

    大脑皮层可以分为不同的区域，每个区域会展现出其独特的功能、结构、连接性和神经元活动。其中，相邻的区域通常密切连接，神经元活动相互关联。脑皮层的空间特化是通过脑发育过程中的基因转录调控和信号传导实现的。尽管基因表达在细胞成熟过程中会动态变化，但成熟神经元通常会保持稳定的核心转录程序，以维持其细胞命运和特定身份。因此，分析不同神经元的核心基因表达集，有助于深入理解神经元功能和结构特化的机制。此外，目前尚不清楚皮层区域化连接和活动特征是否可以通过转录组特征来反映。近年来，随着空间转录组技术的进步，我们有望更深入地解答这些科学问题。

科学问题：

    皮层不同区域的连接和活动特征是否可以通过转录组特征来反映？这些特征在发育过程中是如何建立的？

内容简述：

1. BARseq测序可以区分不同的神经元类型

    为了揭示皮层中不同神经元的空间分布及其分子特征，研究团队利用BARseq测序技术，这是一种基于原位RNA“条形码”的独特测序方法，对一只小鼠的半脑冠状切片进行了预分析，在40个切片中检测了104个细胞类型特征基因。经过质量控制，他们总共获得了1,259,256个细胞样本，每个细胞平均表达了27个基因。研究发现，脑皮层中的神经元可以分为三级。第一级的H1神经元包括兴奋性神经元、抑制性神经元和其他类型。进一步的分析将兴奋性和抑制性神经元重新聚类为第二级的H2类型，如在多个脑区共享的兴奋性亚类（包括L2/3 IT、L4/5 IT、L5 IT、L6 IT、L5 ET、L6 CT、NP、Car3和L6b）。随后，每种兴奋性H2类型进一步重新聚类为第三级的H3类型。研究团队发现，这些注释的H3类型能够与先前发表的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集中的单个或少数精细亚群相对应，表明此研究的数据与之前的scRNA-seq数据集在细胞类型上具有一致性，同时详细解决了这些神经元亚群的空间分布问题（图一）。

图一：BARseq 绘制全脑基因表达和细胞类型图谱

2. 空间特异的皮层基因表达特征

    尽管大多数皮层区域都包括相同的兴奋性神经元H2类型或亚类，但是基因表达在皮层中存在显著的变异。目前尚不清楚神经元亚群组织的差异如何导致特定区域的基因表达差异。作者提出了三个可能的原因：细胞类型组成差异、脑区空间特异基因以及区域特异性细胞的基因表达。通过对数据进行网格化处理和非负矩阵分解（NMF）基因表达聚类，研究团队发现，大部分基因集的表达集中在功能相关且高度互联的区域，这表明存在脑区特异的基因表达。在细胞类型层面，作者发现H3细胞类型在多个脑区共享，并不特定于任何单个脑区，且大多数H3细胞类型存在于6到12个脑区中。这表明，相邻脑区的差异不能简单地通过区域特异性H3类型的存在或不存在来解释。接下来，作者根据各脑区H3细胞类型组成的距离矩阵，评估了这些脑区的模块性。结果显示，这些基于H3细胞类型组成的分区与先前文章发表的基于高度连接的脑区模块基本一致。这表明，高度互连的脑区具有相似的H3细胞组成，同时也具有特定的脑区（模块）特征基因。（图二）

图二：皮层中的基因表达模式

3. 外周感知觉塑造脑区域特征

    不同转录特征、细胞类型组成及模块化脑区是通过不同的发育机制产生的。为了探讨外周感觉输入是否能改变脑区的细胞类型组成和转录组特征，作者在出生后第1天对小鼠进行了双眼摘除术，并在出生后第28天对其大脑进行了同样的BARseq分析及H2/H3细胞类型注释。结果显示，摘除眼球并没有导致整个皮层H3细胞的富集或缺失。但是研究发现在Visp及其周边的两个视觉脑区中，细胞类型组成具有显著差异。因此，摘除眼球显著影响了视觉区域内H3类型的相对组成。其中16种在Visp脑区具有显著差异。差异最大的细胞类型是L2/3和L6两类H3细胞类型，这些细胞类型在对照组中通常出现在内外侧脑区。结果表明，摘除眼球使得视觉区域的H3细胞组成特征更像邻近脑区的H3细胞组成特征（图三）。

图三：摘除眼球改变脑区内细胞类型组成

总结展望：

    本研究通过BARseq技术，揭示了外周输入对皮层不同区域的转录组特性具有重要影响。这表明，外部感官输入在基因表达层面上对皮层区域的身份有显著影响。这项研究通过揭示输入信号如何在基因表达层面影响皮层区域的身份，为未来探索神经发育、感官处理和神经疾病机制提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨其他类型的外周输入如何影响大脑皮层的组织和功能，以及这些发现如何应用于理解和治疗神经系统疾病。

作者介绍：

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07221-6

注：本文仅为作者个人解读，如有纰漏，请参照原文。

撰文：李龙飞

审稿：章梅

编辑：成美君