人类大脑皮层由不同类型的细胞构成，这些细胞间的相互作用在塑造和维持大脑功能方面发挥着重要作用。单细胞转录技术为大脑皮层中不同细胞分子特征的表征提供了支持，但细胞间的空间关系和相互作用的方式仍不清楚。
基于此，哈佛大学Zhuang Xiaowei（庄小威）团队在Science杂志发表了题为“Conservation and divergence of cortical cell organization in human and mouse revealed by MERFISH”的研究文章。
利用多重抗误差矫正荧光原位杂交(MERFISH)技术对4000个基因在单细胞水平进行空间分辨分析，鉴定出100多个具有转录差异的细胞群，通过分子定义和空间结构的差异绘制了人类颞中上回的细胞图谱，并进一步探讨了大脑皮层细胞间的作用方式。
人类皮层单细胞转录组
成像及细胞类型分类
为识别转录不同细胞群的单细胞表达谱，研究者使用MERFISH技术对脑样本颞中回（MTG）和颞上回(STG)的4000个基因进行成像分析，发现在人类MTG和STG中共有125个差异转录的细胞群，其中兴奋性细胞群29个，抑制性细胞群39个，非神经元细胞群57个。而定量分析表明，人类MTG和STG由26%的兴奋性神经元、11%的抑制性神经元和63%的非神经元细胞组成。
接下来，研究者比较了人类和小鼠皮层的细胞组成差异，观察到人类E（兴奋性神经元）：I（抑制性神经元）比率是小鼠的1/3。在兴奋性神经元中，非端脑（IT）神经元的比例从小鼠的29%下降到人类的7%，间接表明在人类IT神经元占具主导地位，且皮层内细胞间交流的比例更高。
对于抑制性神经元，相对于小鼠，人类的VIP神经元（抑制性神经元的主要类型）比例增加，而VIP可调节对兴奋性神经元的抑制。因此，VIP比例的增加表明了人类依赖性感觉处理和学习相关神经元动力学的潜在机制。
图1.MERFISH技术对人类皮层进行空间分辨单细胞转录组分析人和小鼠皮层细胞的空间分布
研究者通过MERFISH原位识别细胞类型，绘制皮层细胞的空间分布图。发现人类整个皮层的IT神经元呈层状分布，而其他兴奋性神经元主要分布在深层。在集群层面，抑制性神经元也采用层状组织，许多抑制性神经元簇主要局限于层及其子部分。在小鼠皮层中，也观察到了相似的神经元空间分布。
非神经元细胞在人类皮层也表现出层状组织。少突胶质细胞主要在较深层和白质中富集。而星形胶质细胞、小胶质细胞、OPCs、内皮细胞和壁细胞等虽表现出层状组织，但在整个皮层深度中都表现出逐渐演变的细胞组成方式。
图2.人类和小鼠皮层细胞类型的层状组织结构人和小鼠皮层中的细胞相互作用
MERFISH图像显示，细胞间发生了频繁的细胞接触或靠近，研究者据此预测细胞通过接触或旁分泌方式进行相互作用。在神经胶质-血管互作方面，研究者观察到人类和小鼠之间有显著差异。MERFISH图像显示，相比于小鼠，人类皮层少突胶质细胞和小胶质细胞常聚集在内皮细胞和壁细胞形成血管周围结构，关系更为密切。量化分析也证实了人类小胶质细胞和少突胶质细胞与血管形成的体细胞接触更多。
在神经元和胶质细胞之间，也观察到细胞互作的物种差异。在人类中神经元和少突胶质细胞之间的接触频率显著增加。尽管小鼠中也观察到此现象，但发生频率并没未超过随机频率。
此外，研究者从MERFISH数据中鉴定出丰富的小胶质细胞和IT神经元的配体-受体对，通过单分子FISH测量，进一步验证了部分配体和受体在遗传上与神经退行性疾病有关。
图3.人类和小鼠皮层中特异类型细胞间的相互作用总 结
该研究通过高空间分辨率的MERFISH图谱，通过细胞类型特异性系统地描述了邻近细胞间的相互作用，并揭示人类和小鼠之间细胞间相互作用的差异。比较人类和小鼠大脑皮层发现，细胞层状组织具有保守性，且不同物种间体细胞相互作用的差异。
此外，与神经退行性疾病遗传相关的配体受体对在小胶质细胞-神经元相对富集，这表明小胶质细胞-神经元相互作用的潜在分子基础以及这些细胞相互作用与神经退行性疾病间具有潜在的联系。
参考文献
Fang R, Xia C, Close JL,et al. Conservation and divergence of cortical cell organization in human and mouse revealed by MERFISH. Science. 2022 Jul;377(6601):56-62. doi: 10.1126/science.abm1741. Epub 2022 Jun 30. PMID: 35771910; PMCID: PMC9262715.
