猕猴大脑皮层细胞类型及基因表达数据库。 (华大供图)
北京时间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，定义了灵长类大脑皮层细胞类型及其分子特征，并定位了不同细胞类型的空间分布。利用这个图谱，科学家能够清楚地知道猕猴大脑皮层中的细胞类型及其分布位置。
据介绍，该图谱作为目前最完整的灵长类脑细胞“说明书”，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，也为人脑功能、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。
本次研究使用了华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq和高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq。相关研究成果在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)。
全球首个猕猴全脑皮层三维单细胞图谱
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。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李澄宇(现临港实验室研究员)表示，大脑的细胞组成及其空间分布规律是脑科学的基本问题，而猕猴的大脑皮层组织在很多方面与人类相似。
在研究中，研究人员通过华大时空组学技术Stereo-seq，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。
同时，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。
据介绍，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iPhone14 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。
“Stereo-seq技术的分辨率非常高，能够真正定位到单个细胞的具体空间位置，并定义出细胞的类型及其分子特征定义，同时它也是目前空间组学技术在研究中应用的最大视场。”文章共同第一作者，华大研究院主任科学家、副研究员雷莹表示。
据悉，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。
揭示灵长类大脑神经元分布关系
基于本次研究绘制的大脑皮层图谱，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。研究团队又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。
“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，“它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”。
本次研究由多家单位的100多位跨学科、跨领域的研究人员合作共同完成。
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