Nature：利用空间转录组学技术，绘制哺乳动物大脑细胞类型的第一张综合图谱

麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的一组科学家利用最近开发的空间转录组学技术，绘制了哺乳动物大脑中首批全面的细胞类型图谱之一，该技术不仅可以揭示单个细胞的基因活性，还可以揭示它们在组织和器官中的位置。

《自然》杂志描述的图谱描绘了整个小鼠大脑中的数千个细胞群，揭示了未被研究的大脑区域中令人惊讶的细胞多样性，并提供了比以前更深入的大脑结构视图。这项工作由Broad研究所成员、麻省总医院(Massachusetts General Hospital)副教授兼主治精神病学家Evan Macosko和Broad研究所核心成员、哈佛大学干细胞与再生生物学系助理教授Fei Chen领导。两人都是该论文的资深作者。

研究小组测量了小鼠大脑中单个细胞基因组中所有基因的活性，并确定了细胞在组织中的位置。他们的分析揭示了小鼠大脑中大约90%的细胞群。科学家们发现，大多数细胞多样性存在于研究相对较少的大脑皮层下区域，尤其是中脑、脑桥、髓质和下丘脑。

Macosko说:“我们怀疑在这些区域会发现最多的多样性，所以我们在分析中优先考虑了这些地区。大脑所做的许多真正的具体工作都是在这些基本区域，与皮层相比，这些区域受到的关注很少。我们的研究结果强调了更深入研究它们的必要性。”研究人员还发现了细胞功能和大脑结构在疾病中的潜在作用的线索。

“像这样的努力为神经科学界提供了重要的资源，因为大脑是如此的复杂，”Chen说。

Macosko补充说:“我们的地图集代表了Broad博物馆十年来工作的顶峰。Fei和我在我们的实验室开发了这项技术，并用它来处理有史以来最大的单细胞和空间数据集，从而产生了第一个哺乳动物大脑细胞类型的综合图谱。”

这项研究是《自然》杂志上10篇论文中的一篇，这10篇论文采用了不同但互补的方法，在单细胞水平上绘制小鼠神经系统。这些研究来自布罗德研究所、艾伦脑科学研究所、索尔克生物研究所和其他机构，这些机构是美国国立卫生研究院通过推进创新神经技术计划或大脑计划-细胞普查网络(BICCN)的一部分。这些论文共同描述了第一个完整的哺乳动物大脑细胞类型图谱。

该研究包包括小鼠大脑和脊髓的空间单细胞图谱，该图谱于9月首次在《自然》杂志在线发表，由Broad核心研究所成员、默金研究所研究员、麻省理工学院化学助理教授Xiao Wang和哈佛大学工程学助理教授Jia Liu领导。独立于BICCN, Wang和Liu的团队使用他们开发的空间转录组学技术分析了1000多个基因的表达，并以无与伦比的亚细胞分辨率详细描述了单个细胞的位置。他们确定了数百种细胞类型，生成了小鼠大脑和脊髓的高度精确的组织图，并证明了他们的方法在揭示哪些细胞类型和大脑区域被基因传递病毒改变方面的实用性。

绘制大脑地图

在Macosko和Chen实验室的研究中，科学家们共同开发了他们的空间转录组学方法，并将其应用于整个小鼠大脑。他们还依赖于Broad基因组学平台成员的专业知识和支持Hail的团队，Hail是一种可扩展基因组分析的开源工具。

研究人员确定了数千个独特的细胞群，并以接近细胞的分辨率绘制了它们在整个组织中的位置。他们估计，他们的分析捕获了小鼠大脑中大约90%的细胞类型，包括大脑中未开发区域的大量多样性。研究人员创建了一个在线浏览器来存放和与科学界分享他们的数据集(http://www.BrainCellData.org/)。

该团队使用高通量单核RNA测序技术分析了小鼠大脑近100个区域的细胞的完整转录组，这是创建人类大脑图谱的首选方法。这产生了超过四百万的基因活动图谱，他们将其聚集到近5000个独特的细胞群中，其中大多数是神经元细胞。

接下来，该团队应用了Chen和Macosko实验室开发的一种名为Slide-seq的方法。他们将101个连续切片，跨越单个小鼠大脑的体积，转移到覆盖着独特DNA条形码的小珠子阵列上，这些阵列与脑组织中的mRNA转录物结合。然后，他们对这些转录本进行测序，并将空间数据与现有的3D参考图谱对齐，使他们能够将每个转录本分配到一个已知的大脑结构，代表超过170万个已绘制的细胞。研究人员结合了来自单核测序数据集的详细和充分采样的细胞类型概况，以定位每个切片中的每种细胞类型，从而生成整个小鼠大脑的详细和彻底的图谱。他们还分析了数据集，提出了两个或三个标记基因，可以用来唯一地识别几乎所有的细胞群。

作者说，其他科学团体可以使用他们鉴定的转录组谱、空间定位和标记基因集来研究感兴趣的特定细胞。小组也可以将这些数据与他们自己对特定大脑区域的更详细的检查结合起来使用。

“我们希望我们的地图集能够在他们自己的工作中赋予社区力量，并允许他们进一步探索我们发现的细胞类型”。

研究小组还揭示了被称为神经递质的信号分子是如何被不同大脑区域的不同细胞类型所使用的。此外，他们还展示了他们的图谱在揭示疾病相关基因活跃的位置方面的实用性，例如，特定的神经元细胞富集表达与精神分裂症相关的遗传因子。

总的来说，这10项研究提供了丰富而深刻的关于大脑异常复杂性的新观点，他们的数据集和方法为对其他小鼠器官和人类大脑进行同样的更大努力奠定了基础。

Macosko说:“通过绘制小鼠大脑图谱，我们已经提供了分子、功能和解剖分类，为绘制人类大脑图谱提供了关键基础，这是接下来要做的。”

文章标题

The cell type composition of the adult mouse brain revealed by single cell and spatial genomics