生命学院米达课题组合作解析大脑皮层抑制性神经元多样性的发育机制
清华新闻网12月26日电 哺乳动物大脑皮层GABA能抑制性神经元产生于腹侧端脑的神经祖细胞，经过长距离切向迁移到达背侧端脑，与皮层内的神经元形成连接，参与构建神经环路，调节神经元活动。虽然大脑皮层抑制性神经元的数量远少于兴奋性神经元，但其细胞类型极为丰富繁多。根据抑制性神经元形态、神经电生理活动、基因表达和环路连接等多个维度的特征，哺乳动物大脑皮层抑制性神经元至少有数十种细胞类型。而抑制性神经元的多样性也是大脑能够实现复杂而精细功能的基础。大脑皮层抑制性神经元发育的异常往往会导致如癫痫、自闭症、精神分裂、智力障碍等多种神经精神疾病。因此，研究大脑皮层抑制性神经元的发育过程具有极为重要的生理和病理意义，而抑制性神经元多样性的产生过程及其分子调控机制也是神经科学领域内极为重要的科学问题之一。
12月11日，清华大学生命科学学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心米达助理教授课题组与VIB脑与疾病中心林内特·林母（Lynette Lim）研究员课题组和伦敦国王学院发育神经生物学中心奥斯卡·马丁（Oscar Marín）教授课题组合作在《神经元》（Neuron）发表了题为“大脑皮层生长抑素类长投射神经元和中间神经元表现不同的发育轨迹”（Cortical somatostatin long-range projection neurons and interneurons exhibit divergent developmental trajectories）的研究论文。研究揭示了大脑皮层生长抑素类抑制性神经元多样性的发育过程，阐明了抑制性长投射神经元和中间神经元不同的发育轨迹，发现了调控抑制性长投射神经元特化成熟的分子程序。
生长抑素类（SST）抑制性神经元作为大脑皮层抑制性神经元的主要类型之一，产生于腹侧端脑中间神经节隆起（MGE）。由MGE的神经祖细胞分裂后产生的新生抑制性神经元主要为小清蛋白类（PV）神经元和SST神经元。SST神经元绝大多数是形成局部投射的中间神经元，极少数会建立长程投射来调控其他脑区的神经元活动。
为了研究SST神经元多样性的发育机制，研究人员通过转基因小鼠内源荧光标记SST神经元，利用流式分选富集了胚胎发育第16.5天（E16.5）、出生后第1天（P1）和出生后第5天（P5）位于小鼠大脑皮层的SST神经元，而后进行单细胞转录组测序（图1）。通过数据整合与分析，发育时期的SST神经元可以聚类为建立长程投射的长投射（LRP）神经元类型（包含4个转录组亚型），和建立局部投射的中间神经元类型。中间神经元则聚类为Martinotti（MC）细胞类型（包含3个转录组亚型）和non-Martinotti（nMC）细胞类型（包含5个转录组亚型）。同时，研究人员结合公开数据中P10小鼠大脑皮层SST神经元的基因表达进行分群和对比，发现大脑皮层SST神经元的多样性在胚胎发育时期已经出现并在出生后持续稳定存在。
图1.发育过程中大脑皮层SST神经元的多样性
随后，研究人员根据SST神经元发育轨迹的分析，指出早在胚胎发育时期，SST神经元内部已经建立两支截然不同的发育轨迹——其一为形成长程投射的LRP神经元，另一为形成局部投射的中间神经元（图2）。针对胚胎时期已获得细胞命运的LRP神经元亚型进行分析，研究人员发现特异性富集表达于LRP2亚型神经元的转录因子Dach1以及富集表达于大部分LRP神经元的转录因子Pou3f2。
图2.SST抑制性神经元不同的发育轨迹
研究人员利用SST-Cre转基因工具鼠条件性敲除Dach1或Pou3f2基因。研究发现LRP神经元缺失Dach1后，会导致其向对侧纹状体的长程投射显著性增加，但并未影响LRP神经元本身的数量；然而LRP神经元缺失Pou3f2后，并不影响其向对侧的长程投射，但LRP神经元的数量在P5之后会显著性地下降。这表明Dach1和Pou3f2分别对LRP神经元建立正确投射和维持细胞存活起到了重要的作用（图3）。
图3. Dach1和Pou3f2对SST长投射神经元发育的作用
综上所述，该研究工作结合单细胞转录组和空间转录组测序分析、遗传学、细胞谱系追踪和病毒示踪等技术手段，揭示了大脑皮层SST长投射和SST中间神经元不同的发育轨迹，以及驱动其发育成熟的不同分子程序。该研究工作阐明细胞命运决定的时间规律在不同类型抑制性神经元之间具有异质性，为深入理解抑制性神经元多样性的发育机制提供了重要理论补充。
米达、林内特·林母（Lynette Lim）、奥斯卡·马丁（Oscar Marín）为该论文的共同通讯作者。清华大学生命科学学院/IDG-麦戈文脑科学研究院/生命科学联合中心2019级博士生龙真与2021级博士生燕逸铭为论文共同第一作者。
论文链接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00887-5
供稿：生命学院
题图设计：刘雨田
编辑：李华山
审核：郭玲
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