相比于其他哺乳动物，灵长类的新皮层变得更大且复杂，不仅很多脑区在小鼠中没有同源结构，而且不同的皮质区域也有着迥然不同的细胞组成、神经连接和环路，区域间的异质性也变得更为显著，这些可能是灵长类、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。同时，很多神经精神疾病的高风险基因，在小鼠和人类发育过程中有着截然不同的表达模式，而猕猴因为进化上与人类亲缘关系相近、可能具有非常相似的模式。因此，以非人灵长类为模型研究新皮层不同区域在发育中分化的机制，对于理解人类认知和神经精神疾病至关重要。在发育上，皮层区域分化过程至少包括早期的模式形成中心（patterning centers， 这里简称PC），主要影响不同脑区的神经干细胞产生具有不同分子特征的神经元，以及外在因素比如来自丘脑的轴突输入进一步促进神经元的区域分化。然而，以往的研究多以小鼠为模型，对于这些过程在灵长类中发生发展的机制，仍知之甚少。
2023年10月13日，来自耶鲁大学医学院的Nenad Sestan团队和Pasko Rakic团队合作在Science上发表了题为Molecular programs of regional specification and neural stem cell fate progression in macaque telencephalon的文章。耶鲁大学Nicola Micali、马少捷博士以及华中科技大学同济医学院李明锋教授为该文章共同第一作者。作者应用了单细胞转录组分析了超过76万个来自恒河猴多个端脑脑区的细胞（前额叶、运动和感觉皮层、颞叶、视觉皮层以及神经节隆起等），横跨了胚胎发育早期区域模式形成（patterning）到神经发生和胶质细胞发生的阶段（从胚胎期第37天到110天）。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等，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。
基于Pasko Rakic之前提出的Protomap猜想，端脑的早期PC会分泌形态生成素（morphogen），它们会在不同脑区形成梯度，并与不同区域的神经干细胞相互作用，影响它们的基因表达，从而建立早期端脑不同区域的基因表达梯度。该理论也指示早期梯度会让不同区域神经干细胞产生具有不同分子特征的神经元。为了进一步了解灵长类的PC，作者首先剖析了猕猴端脑中共9种PC细胞类型及其分子特征，揭示了各种信号通路（比如WNT、FGF、BMP）在PC的时空分布，并且预测了它们如何介导PC和端脑各区域神经干细胞的互作。鉴于灵长类的新皮层相较于啮齿类更为复杂，端脑的PC在灵长类中可能产生更多的特化。作者通过比较猕猴与小鼠，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也会更显著地增加喙内侧而非后侧的神经干细胞的增值。综上，GALP可能会通过选择促进额叶的神经干细胞增值，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。
接下来作者关注了神经干细胞，并且构建了脑室区和脑室下区的神经干细胞的发育轨迹。沿着发育轨迹，作者比较了皮层不同区域神经干细胞，并且发现早期的脑室区的神经干细胞具有较高的转录组异质性，并且该异质性随着发育呈下降趋势，这也印证了Protomap理论。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，其区域转录组异质性越高，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。通过人和猕猴的跨物种比较，作者发现上述的很多区域特异的基因表达是保守的，但也发现很多基因的表达模式呈现物种差异。比如，虽然人和猕猴的前额叶神经元都富集RBP1，但是人类具有更为显著，这可能与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。
为了进一步理解Protomap中神经干细胞的区域转录组分化如何影响神经元的区域分子特征，作者获取了猕猴的不同皮层区域原神经干细胞并进行体外培养诱导神经发生。与体内不同的是，丘脑的轴突输入等外在因素在该体外条件并不存在，因此可以更好的探究细胞内在机制对于神经元区域特化的贡献。作者发现很多体内区域特异表达的基因，如前额叶的维A酸信号通路的关键基因（RBP1和CBLN2）也能在该体外的神经元中呈现区域特化的表达模式。这些结果说明编码在神经干细胞中区域分化的机制可以通过细胞自主机制（cell autonomous mechanism）来调控皮层神经元的区域分化。
不同于兴奋性神经元，抑制性神经元的皮层区域转录组异质性相对较低。从内侧（MGE）和尾侧（CGE）神经节隆起的皮层抑制性神经元中，作者分别寻找了皮层区域特异表达的基因，发现了二者有较高的重合。因此，抑制性神经元的特征至少包含两层：一层是不同类型神经元的特征（比如SST、PVALB、VIP），在离开神经节隆起前已经被决定；另一层的特征是区域特异的基因表达。然而，不同来源不同种类的抑制性神经元却有着非常类似的区域特征，这暗示局部的皮层环境对于抑制性神经元的区域特征决定具有重要作用。
在胶质细胞的发生和发展中，作者也发现了区域特异表达的基因，尤其是星形胶质细胞。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相应，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。
原文链接：http://doi.org/10.1126/science.adf3786
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