相比于其他哺乳动物，灵长类的新皮层更大且复杂，而且不同的皮质区域有着迥然不同的细胞组成、神经连接和环路，这可能是灵长类、尤其是人类产生更高级的智能和复杂社会行为的关键所在。
2023年10月13日，基础医学院李明锋与耶鲁大学医学院Nicola Micali和马少捷共同一作在Science上发表了题为Molecular programs of regional specification and neural stem cell fate progression in macaque telencephalon的研究论文。该研究选择与人类亲缘关系更近的猕猴作为研究对象，聚焦猕猴胚胎发育早期区域模式中心形成（patterning centers， 这里简称PC）到神经发生和胶质细胞发生，总共10个关键发育时间节点（从E37天到E110天）。应用单细胞技术，作者解析了不同皮质区域超过76万个细胞转录图谱，包含前额叶、运动皮层、感觉皮层、颞叶、视觉皮层以及神经节隆起等等。通过深入整合分析，作者鉴定了端脑发育的多个PC，以及神经干细胞、Cajal Retzius细胞，兴奋性和抑制性神经元、胶质细胞等的发育轨迹，提供了一个十分详尽的猕猴端脑发育和区域特化的细胞分子图谱，对于研究人类大脑发育、进化和疾病提供了非常宝贵的资源。
首先， 作者剖析了猕猴端脑中9种PC细胞类型及其分子特征，揭示了多种信号通路（比如WNT、FGF、BMP）在PC的时空分布，并且预测了它们如何介导PC与端脑不同区域的神经干细胞互作。通过比较猕猴与小鼠，作者发现了多个灵长类高表达的PC分子标记物，比如在猕猴前腹侧PC特异表达的GALP基因（编码Galanin Like Peptide神经肽）。通过构建皮层类器官、并添加GALP，作者发现具有前侧皮层/额叶特征的类器官比具有其它端脑区域特征的类器官，在神经干细胞增殖水平方面有着更为显著的提升。同样，在小鼠脑室内注射GALP也会显著地增加喙内侧而非后侧的神经干细胞的增殖。综上，GALP可能会选择性地促进额叶的神经干细胞增殖，从而促进相应皮层表面积的增加。该发现为灵长类皮层扩增的研究指示了一个全新的方向。
接下来，作者构建了脑室区和脑室下区的神经干细胞的发育轨迹，发现了早期的脑室区的神经干细胞具有较高的区域异质性，并且该异质性随着发育时间呈下降趋势，这与本论文通讯作者（之一）Pasko Rakic早期提出的Protomap理论一致。进一步研究发现，额叶神经干细胞富集了ZIC家族（ZIC1/2/3/4/5）转录因子、经典的外放射状胶质细胞（outer radial glial cells）的分子标记物（HOPX、PTN和PMP22等），以及调控前额叶皮层神经元特征的维A酸信号通路的关键分子（RBP1和CYP26A1）。
同样，沿着兴奋性神经元的发育轨迹，作者发现越成熟的兴奋性神经元，其区域异质性越高，这说明在发育后期，外在因素（比如丘脑的轴突输入）也会进一步影响区域神经元的分子特征。作者还发现前额叶神经元富集的基因包括维A酸信号通路的关键分子（RBP1、CBLN2和CYP26A1），以及众多Protocadeherin和神经肽，这可能为区域特异的连接和环路形成提供分子基础。通过比较人类和猕猴，作者发现RBP1在人类前额叶神经元具有更为显著的富集表达，这可能与本论文通讯作者（之一）Nenad Sestan实验室2021年发现的人族（Hominini）特有的维A酸信号在前额叶扩增有密切关系。
不同于兴奋性神经元，抑制性神经元和胶质细胞的皮层区域异质性相对较低。在胶质细胞的发生和发展中，星形胶质细胞呈现相对较高的区域异质性。通过配体-受体分析，作者预测了星形胶质细胞和血管内皮细胞有较强的分子通讯。尽管不同皮层区域的星形胶质细胞有着同样的来自于血管内皮细胞的配体信号，但是它们的受体的表达量却具有明显差异，这可能预示着不同的信号响应，从而影响星形胶质细胞的区域差异化。
最后，作者通过整合分析，深入研究了与神经精神疾病和脑肿瘤相关的风险基因，在时空维度和细胞类型上的富集分布。与之前的研究吻合，作者发现大多数神经发育障碍、精神疾病的风险基因主要集中在神经元中表达，但是该研究还发现部分脑疾病风险基因在PC以及神经干细胞中具有特异性的表达，这说明了早期端脑模式形成和神经干细胞发育出现异常也会增加脑疾病发生的风险。另外，部分脑疾病风险基因也具有脑区特异的表达，这进一步印证了之前研究中观察到的脑区差异的精神疾病的易感性，并揭示了潜在的分子靶标和机制。
文章链接：DOI: 10.1126/science.adf3786
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