编辑推荐：
大脑皮层具有极为复杂的细胞多样性，需要有空间分辨能力的单细胞分析。哈佛大学HHMI的庄小威团队在Science发表文章，用MERFISH技术对小鼠和人类大脑皮层细胞进行了分析比较
人类大脑皮层包含数十亿不同类型的细胞，具有极其复杂的细胞多样性。这些细胞的空间组织和相互作用在塑造和维持各种大脑功能方面发挥着关键作用。例如，神经元和非神经元细胞之间的相互作用对于轴突传导、突触传递和组织稳态至关重要，并且是大脑正常功能所必需的。这种细胞间相互作用的破坏会导致各种神经系统疾病，例如自闭症、精神分裂症和阿尔茨海默病。但这些不同类型的细胞是如何组织的、以及不同物种的细胞组织是如何变化的——仍不清楚。研究人类大脑皮层中的特定细胞类型及其分子表型尤其困难。
在这项研究中，研究人员使用多重的容错荧光原位杂交（MERFISH，multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization）对4000个基因进行的单细胞分析，以确定人类和小鼠大脑皮层内细胞类型的空间分布。他们鉴定出100多个转录谱不同的细胞群，并从分子定义的角度生成了一个人类大脑颞上回和颞中回（middle and superior temporal gyrus）的空间分辨细胞图谱。作者还进一步探讨了由体细胞接触或接近引起的、具有细胞类型特异性的细胞间相互作用，他们发现小鼠和人脑中具有不同的特定细胞类型的关联模式，人类比小鼠有更多的特异性神经元，而且这些细胞与相似的神经元细胞类型有更大的接近性和相互作用。通过对受体-配体对的研究，研究人员发现了神经元和小胶质细胞之间可能的接触，这可能解释了为什么某些基因与神经退行性疾病有关。研究数据揭示了人类特有的细胞-细胞接近模式、人类皮层神经元和非神经元细胞之间相互作用的显著增强、以及细胞层状组织的保守性，和不同物种之间的体细胞相互作用的差异。
技术背景：人类皮层的单细胞转录组成像
单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 分析揭示了人类颞中回 (MTG) 中转录谱不同的细胞群的多样性。将 scRNA-seq 与显微切割相结合，以及最近针对 120 个基因的原位测序，揭示了人类 MTG 中这些转录定义的神经元细胞类型（特别是兴奋性神经元）的层状组织。然而，这些研究并没有以高分辨率阐明细胞类型之间的空间关系，并且仍然缺乏对这种高度多样性的细胞类型之间的细胞-细胞相互作用的系统表征。单细胞转录组学和表观基因组学分析也为小鼠、狨猴和人类皮质中细胞多样性和细胞类型的分子特征的进化提供了丰富的见解，但它们之间的空间关系和相互作用如何不同细胞类型因物种而异仍然很大程度上不清楚。
单细胞转录组成像允许对单个细胞进行原位基因表达谱分析，因此可以对复杂组织中的细胞类型组织进行高分辨率空间映射。
这里样本分别来自神经外科手术新鲜冷冻人类 MTG（颞中回）切片（5份，分别来自36岁和32岁两个男性个体）和死后大脑STG（颞上回） 样本的5份切片（来自两个男性个体，29 和 42 岁） 。结果表明MTG和STG样本具高度相关性/重现性。
单细胞转录组图谱分析的 4000 个基因包括了来自 MTG 单核 SMART-seq 数据中聚类的 764 个差异表达的标记基因；和随机选择的其他表达基因（以增加基因覆盖率，并有机会发现在 SMART-seq 数据中未发现的潜在标记基因）；以及功能上重要的基因如配体和受体。用这 4000 基因 MERFISH 数据的单细胞表达谱来识别转录谱不同的细胞群。
结果与讨论
在这项研究中，对人脑组织的 4000 基因进行MERFISH 成像，能够原位识别超过 100 个神经元和非神经元细胞群，并全面映射这些细胞在人类 MTG 和 STG 中的空间组织，从而产生具有高粒度的分子定义和空间分辨的细胞图谱。这些人类皮质区域中的细胞组成与在几个小鼠皮质区域中观察到的明显不同。细胞的空间组织表现出人类和小鼠之间的共同特征和不同特征。不排除其中一些差异是由于不同的皮质区域造成的可能性
这些高空间分辨率细胞图谱使作者能够以细胞类型特异性的方式系统地描述基于邻近性的体细胞相互作用，并揭示人类和小鼠之间细胞间相互作用的差异。对于神经元和非神经元细胞之间的相互作用，差异尤其明显。与小鼠皮层相比，人类皮层中神经元和少突胶质细胞之间的体细胞接触或接近度显着增加。神经元周围少突胶质细胞可以为神经元提供代谢支持。因此，观察到的少突胶质细胞和神经元之间的接触富集增加可能是进化适应人脑中单个神经元放电期间更高能量需求的结果。
与抑制性神经元相比，人类皮层中小胶质细胞和兴奋性神经元之间的接触或接近优先富集，而小鼠皮层对这种小胶质细胞-神经元接触没有表现出显著富集。卫星小胶质细胞可以帮助维持组织稳态，小胶质细胞具有保护作用，可降低某些神经退行性疾病的发病率。因此，观察结果可能代表了人类小胶质细胞和兴奋性神经元之间的功能相互作用。
与非相互作用的小胶质细胞和神经元相比，一些与神经退行性疾病遗传相关的配体 - 受体对在接触小胶质细胞 - 神经元对时富集，这表明观察到的小胶质细胞 - 神经元相互作用的潜在分子基础、以及这些细胞 - 细胞相互作用与神经退行性疾病的潜在联系疾病。
有观点认为非神经元细胞的进化遵循比简单地增加细胞丰度更复杂的模式，还涉及神经胶质细胞的多样化。作者观察到的“对人类皮层中神经元和神经胶质之间相互作用的增强富集”进一步扩展了这一观点。
