7月12日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、华大生命科学研究院等单位发布全球迄今最完整的灵长类脑细胞图谱，为脑科学发展树立了新的里程碑，也为阿尔兹海默病、帕金森病等脑疾病的研究提供了新的基础。相关研究成果在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（cell）。
研究团队基于华大自主研发的时空组学技术与高通量单细胞核转录组测序技术，定义了迄今为止最全面的灵长类大脑皮层细胞类型及其分子特征，同时定位了不同细胞类型的空间分布。利用这个图谱，科学家们能够清楚地知道，猕猴大脑皮层中有哪些细胞类型、这些细胞类型分布在什么位置。作为目前最完整的灵长类脑细胞“说明书”，该研究可以为人脑功能、脑疾病、脑机接口等脑科学领域研究的基础认知提供参考，将大幅加快脑科学研究进程。
本次研究使用的华大时空组学技术stereo-seq，具有目前为止精度最高的“纳米级分辨率”，清晰度约为iphone 14 pro照相机的200倍以上，且同时具有超大视场，因此被称为超广角百亿像素“生命照相机”。stereo-seq不仅解决了国际同类技术分辨率低、不能实现单细胞分辨率的问题，还解决了视场小，不能进行较大组织研究等问题。
猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其大脑中包含超过60亿个神经元。在本次研究中，研究团队通过stereo-seq技术采集了猕猴大脑161张厚度为10微米切片的空间转录组数据，并结合华大自主研发的另一项技术——高通量单细胞核转录组测序技术dnbelab c4 snrna-seq，获取了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞核转录组数据。通过对猕猴大脑皮层的143个脑区中单个细胞的基因表达及状态、空间信息进行联合分析，研究团队绘制了全球首个食蟹猴大脑全皮层的三维单细胞图谱，并且绘制了细胞类型分类树，揭示了不同类型细胞与脑区层级结构的关系。本次研究产生了超过300tb的数据，为迄今脑空间组学研究领域产出的最大数据量。
“大脑的细胞组成及其空间分布规律是脑科学的基本问题，其重要性类似于人类基因组计划完成的dna碱基序列。”文章共同通讯作者、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员（现临港实验室研究员）李澄宇表示，“猕猴的大脑皮层组织在很多方面与人类相似，本次研究为系统分析细胞类型在皮层内各层面特异和区域特异的分布，以及基因表达特征提供了目前最完整的灵长类大脑数据。”
该技术所使用的芯片是华大基于自主的dnbseq测序技术研制的具有空间位置信息的、阵列式排布的dna纳米球空间捕获芯片，将认识生命空间的分辨率提高到了500纳米的亚细胞层级。同时，在本次猕猴脑细胞研究中，研究团队突破性地使用了5厘米x3厘米的大视场芯片，从而实现了猴脑大脑皮层全景分子图谱的绘制。
“stereo-seq技术的分辨率非常高，这是一个很大的优势，它能够真正定位到单个细胞的具体空间位置，并且可以把细胞的类型及其分子特征定义出来。”文章共同第一作者，华大生命科学研究院主任科学家、副研究员雷莹表示，“同时，它还有具有大视场的优势，以前没有技术能够做到。所以用这个技术做猴脑研究是很合适的，这也是目前空间组学技术在研究中应用的最大视场。”
猕猴大脑皮层细胞类型空间分布图谱
基于大脑皮层图谱，研究团队发现，猕猴大脑中大量兴奋性神经元、抑制性神经元以及非神经元细胞在大脑皮层中的分布呈现明显的各层面及各脑区的特异性。基于此，研究团队以视觉系统和躯体感觉系统为例，展开进一步研究，发现两个系统的细胞类型组成与脑区层级组织之间存在显著的相关性，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型组成，揭示了细胞组成和脑区结构之间的关系。
此外，通过与已公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行跨物种比较，研究团队还发现了灵长类特有的兴奋性神经元细胞，并且这些细胞高表达与人类疾病相关的基因，包括控制语言能力发展的基因foxp2、神经发育异常相关基因dcc和epha3等。
“猕猴脑细胞图谱的绘制，将帮助我们更好地认识脑疾病，为未来设计疾病治疗靶点提供基础参考资源。”文章共同通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯认为。“同时，它也有望推动脑科学领域的突破性进展，如在类脑智能和脑机接口中，通过更精确的脑电信号采集，实现更复杂的机体活动。这些都是值得期待的发展方向，需要全球科学家共同探索。”
本次研究是由多家单位的100多位跨学科、跨领域的研究人员合作，依托我国自主研发的核心技术与大平台，在明确目标任务的导向下，以分工互补、高效协作的“大科学”科研攻关模式共同完成。研究产生了较为完整的全球首套猕猴全脑皮层的单细胞以及空间转录组数据，数据资源库现已实现公开共享（https://macaque.digital-brain.cn/spatial-omics）。
猕猴大脑皮层细胞类型及基因表达数据库
华大自主研发的核心技术与大平台
今年，正值生命科学史上的重要里程碑——人类基因组计划（hgp）宣布完成20周年，本研究也正是“共有、共为、共享”的hgp精神的传承与延续。
未来，研究团队将继续在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续攻关，推动中国在相关领域持续产生原创性、引领性成果。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员李澄宇、刘志勇、青年研究员孙怡迪、副研究员沈志明，华大生命科学研究院研究员徐讯、刘龙奇、黎宇翔，临港实验室研究员魏武，腾讯ai lab ai医疗首席科学家姚建华研究员为该论文共同通讯作者。华大生命科学研究院研究员陈奥、副研究员雷莹、研究员廖莎、硕士研究生朱志勇，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心青年研究员孙怡迪、单细胞平台主任李超、博士研究生孟娟、研究员梁智锋、助理研究员袁妮妮、工程师杨浩，临港实验室博士后柏亦沁，中国科学院上海营养与健康所博士研究生刘振，腾讯ai lab研究员吴子涵为该论文的共同第一作者。该成果获得了科技部科技创新2030-重大项目“脑科学与类脑研究”、上海市级重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”、中国科学院、基金委、深圳市、临港实验室重大任务等项目的支持。
本研究已通过伦理审查，严格遵循相应法规和伦理准则。题为“single-cell spatial transcriptome reveals cell-type organization in macaque cortex”的研究论文已在线发表于cell期刊。
文章链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/s0092-8674(23)00679-7