人类大脑皮层是神经系统最高级的调节中枢。高分辨率人类大脑皮层细胞图谱对于全面了解大脑皮层功能和生理机制至关重要，有助于研究神经系统疾病病理进展过程中某些神经元的分类和空间异质性。目前，虽然已有研究阐明了部分皮层的细胞基础，但对于多个人类大脑皮层区域中神经细胞的分子特征和精确的空间分布至今尚未完全了解。

近日，哈尔滨医科大学蒋庆华教授、孙皓修博士团队联合南方医科大学徐江平教授团队在Nature Communications发表文章“Charting the spatial transcriptome of the human cerebral cortex at single-cell resolution”。研究团队利用snRNA-seq和Stereo-seq技术，创建了一个包含细胞多样性和空间结构的成人大脑皮层细胞图谱。该图谱覆盖了14个皮层区域，揭示了不同神经细胞类型的表达模式和空间分布。与功能网络相结合，该图谱突出了神经细胞类型与皮层功能之间的相关性。此外，该研究还破译了大脑皮层跨区域的第4层和第6b层的转录组差异和细胞组成。该研究为人类大脑皮层中复杂和智能区域的细胞基础提供了见解。

人类大脑皮层细胞类型有着复杂的多样性和空间分布，为了全面了解人类大脑皮层，研究团队对来自5名无神经系统疾病成年个体的42个样本14个皮层区域（前额叶皮层、运动皮层、体感皮层、颞上回、视觉皮层等）的307,738个细胞核进行了snRNA-seq（图1a,c）。研究人员将以上数据与已发表的BICCN新皮层数据结合起来，涵盖了上述14个皮层区域中的8个区域，共得到1,121,772个细胞核。为了扩大snRNA-seq数据集，更好地发现皮质区域的异质性，研究人员将BICCN公布的数据集进行合并，并在分类学粒度上进行统一（图1b）。为了进一步揭示皮质的空间异质性，研究团队结合Stereo-seq技术对44张脑立体切片的1,888,306个细胞进行了空间转录组测序。综合以上数据，研究团队最终构建了包含112万细胞核转录组数据、188万细胞空间分布信息的大脑皮层细胞图谱。

图1.人类14个皮层区域的全面空间转录组图谱。

该图谱揭示了不同神经细胞类型的表达模式和空间排列。谷氨酸能神经元和氨基丁酸（GABA）能神经元在皮层神经网络中分别发挥兴奋性和抑制性作用。该图谱由转录组分子特征定义，将谷氨酸能神经元与兴奋性神经元、GABA能神经元与抑制性神经元结合起来，反映了神经科学中的常见分类。通过整合snRNA-seq和BICCN数据，在转录水平定义了3大类22个亚类（图1d）：谷氨酸能神经元类9个亚类，GABA能神经元类7个亚类，非神经元细胞类6个亚类。分析发现，某些类型细胞在特定的皮层区域表现出优先分布。例如，谷氨酸能亚型LINC00507_3和LINC00507_4多见于初级运动皮层，RORB细胞主要分布在颗粒层周围，在V1区大量存在。而大多数GABA能神经元在这一区域的数量较少。

随后，研究团队利用Stereo-seq和基于图的深度学习框架（DeepST）对各细胞类型及其分布进行分析注释（图2a），发现不同层在表达模式和层特异性细胞类型上都存在显著差异（图2b）。研究人员还分析了每层立体切片差异表达基因，找出了非传统层流标记（图2c），并在空间转录组切片上展示了这些差异表达基因，其中CXCL14类似于经典的第1层标记物RELN，而NEFM类似于经典的第3层标记物CUX2，并且在14个新皮层区域显示出良好的层流标记稳定性（图2d）。

图2.人类皮层区域的空间转录组学和Stereo-seq鉴定的层流标记基因的层富集。

在上述分析中，研究团队利用单细胞转录组数据将谷氨酸能神经元分为9个亚类，对应不同的投射类型（图3）。空间相邻皮层区域的谷氨酸能神经元具有更大的转录组相似性，并发现四个IT亚类具有独特标记，可以在14个皮层区域中识别。同时，研究还分析了不同因素（区域和层）如何影响转录组变化。结果表明，IT亚类通常受区域特异性的影响较小；当考虑层流变化（亚类变化）时，表达差异更加明显。

图3.人类大脑皮层中谷氨酸能细胞类型的转录组分类及空间分布。

此外，该图谱还涵盖了皮层非神经元细胞，揭示了非神经元细胞在皮层区域的分布及其比例和特定分布。与非人灵长类动物相比，人类显示出更高比例的少突胶质祖细胞，表明与少突胶质祖细胞成熟相关的基因，特别是FOXP2、THEMIS和pcdh15在人类皮层中表达更丰富。利用立体切片进行分析，发现这些基因的最高重叠区域位于第6层。对皮层区域的基因密度分析显示，顶叶上回和背外侧前额叶中共同表达FOXP2和THEMIS的细胞可能更高。

研究人员还利用基于图谱的分析破译了GABA能神经元的单细胞空间转录组谱。GABA能神经元分为两组：尾神经节隆起（CGE）衍生和内侧神经节隆起（MGE）衍生（图4a）。研究详细鉴定了CGE分支的4个亚类：LAMP5、NDNF、PAX6和VIP，MGE衍生的神经元有3个亚类：CHANDELIER、PVALB和SST。在成人皮层中，CGE来源和MGE来源的神经元分别占总数的45%和55%，与最初的神经发育起源一致，表明GABA能神经元在个体的一生中组成相对稳定。

图4.人类皮层区域GABA能亚型的特征及其空间分布。

分析发现，大多数CGE衍生的簇倾向于颗粒层分布，特别是NDNF存在于表层（图1d和4b），而MGE衍生的簇没有明显的层流限制。与小鼠皮层中的GABA能神经元相比，人类皮层中CGE来源的神经元在组织内的迁移更浅，并且提供更多的细胞，而不仅仅局限于第5层周围（图4b）。此外，MGE衍生的SST神经元具有上下分层特征（图4c），可分为浅层与深层两个亚群。与浅层SST神经元相比，深层SST神经元中有20个基因表达上调（图4e）。CALB在浅层SST神经元中的表达明显更高（图4f），深层SST神经元与G蛋白偶联神经递质受体活性相关（图4g）。

值得关注的是，研究人员首次在14个皮层区域中利用空间转录组学系统解析了第4层（颗粒层）与第6b层（亚板层）的细胞组成分布（图5）。研究显示，L3-L4 IT和L4-L5 IT RORB谷氨酸能神经元在V1区占主导地位；V1的第4层最大，明显超过在其他皮层区域的比例，RORB神经元富集。利用该图谱分析第6b层，发现其表达皮层亚板神经元的标记物，如CTGF、SEMA3E和MGST1等，表明第6b层不是一个短暂的结构，可能是一个永久性的亚群。

研究团队对大脑皮层细胞多样性和空间分布进行了全面分析，构建了覆盖整个人类大脑皮层的细胞空间转录组图谱，提供了超越传统方法的空间和转录组信息。该研究表明，结合snRNA-seq和空间转录组测序在探索大脑皮层感知、认知和行为的细胞基础方面具有潜在的力量，有助于加速我们对神经系统疾病的理解。研究团队期待未来利用更先进的技术，在更大的队列中进行更多细胞和基因样本的分析，解析大脑皮层细胞异质性与疾病的关联。

原文信息：

Wei, S., Luo, M., Wang, P. et al. Charting the spatial transcriptome of the human cerebral cortex at single-cell resolution. Nat Commun 16, 7702 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62793-9

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