探秘小脑神经元：人类与小鼠抑制性中间神经元的基因表达差异与意义

研究人员对比人类与小鼠小脑皮质和核内抑制性中间神经元基因表达，揭示差异及分子相似性，助力小脑研究。

　　### 小脑神经元研究：从疑问到突破
在神经科学的神秘世界里，小脑一直是备受关注的焦点。曾经，人们认为小脑主要负责运动控制和学习，然而随着研究的深入，它在感知处理、情感和社会认知等方面的作用逐渐浮出水面，甚至与神经精神疾病也有着千丝万缕的联系。

过去几十年，大量基于动物模型（尤其是啮齿动物）的研究，让我们对小脑的结构、功能和病理有了更深入的了解。这些研究发现，传统分类的小脑细胞类型，在分子层面远比想象的复杂。比如，浦肯野细胞（Purkinje cell）的分子多样性与小脑功能密切相关，颗粒神经元（granule neurons）也并非高度同质化，而是包含不同分子特征的亚群。

不过，对于人类小脑，尤其是其中抑制性神经元的研究却困难重重。我们对人类小脑抑制性神经元的功能知之甚少，甚至连可靠的形态学分类都没有。正是在这样的背景下，为了填补这些知识空白，德国波恩大学（Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universit?t Bonn）的 Karl Schilling 开展了一项极具意义的研究。该研究成果发表在《The Cerebellum》杂志上，为我们理解小脑神经元的奥秘提供了新的视角。

研究方法：解锁基因密码的钥匙

为了深入探究人类和小鼠小脑抑制性神经元的奥秘，研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 数据收集与处理：从多个公共数据库获取成人人类和小鼠小脑皮质及核的基因表达数据，涵盖不同研究的样本。使用 R 语言和 Seurat 等多个软件包对数据进行处理，包括数据标准化、方差稳定化等操作，为后续分析做准备。
2. 细胞筛选与整合：根据注释信息，从数据集中筛选出抑制性神经元细胞。将人类和小鼠的皮质与核抑制性神经元数据分别进行整合，通过多种方法对比后，最终选用 Harmony 算法进行批次效应校正，减少数据误差。
3. 基因分析：利用多种算法对整合后的数据进行降维分析，如均匀流形近似和投影（UMAP）、t 分布随机邻域嵌入（tSNE），以观察细胞聚类情况。通过对比不同细胞类型的基因表达，寻找差异表达基因，确定细胞类型特异性基因集。

研究结果：小脑神经元的基因密码

1. 细胞聚类与重叠：通过对整合数据集的分析，发现人类小脑皮质抑制性中间神经元可通过差异基因表达有效分离成不同类型。其中，深层核抑制性神经元 i1 类和 362 簇细胞与其他细胞明显分离，但彼此广泛重叠；而 i2 和 i3 类核神经元则与 PLI、MLI2 细胞以及 Golgi 细胞有广泛重叠。这表明不同类型的小脑神经元在基因表达上存在特定模式，且核神经元与皮质神经元之间存在密切联系。
2. 投射到下橄榄核的抑制性神经元：研究发现 i1 和 362 簇细胞共聚类，且具有共同的核心基因集，这些基因包括转录因子 DMBX1、ZFHX4 等，还涉及细胞黏附、轴突导向和离子运输等相关基因。同时，根据 NMDA 受体亚基编码基因的表达情况，推测投射到下橄榄核（inferior olive，IO）的神经元可大致分为三个功能不同的亚群，它们对谷氨酸能反馈和甘氨酸的敏感性存在差异。这一结果为深入理解小脑与下橄榄核之间的神经传递和功能调控提供了重要线索。
3. 人类非 Golgi 抑制性中间神经元：人类颗粒细胞层和浦肯野细胞层的非 Golgi 抑制性中间神经元（PLIs）目前了解较少。研究发现，人类 PLIs 在低维投影空间中主要与小鼠的 candelabrum（PLI1）和 Lugaro 细胞（PLI3）聚类，但关键基因表达存在差异。例如，HTR2A 和 SLC6A5 在小鼠和人类 PLIs 中的表达模式不同，无法用小鼠的基因标记来细分人类 PLIs。此外，还发现了一些在人类或小鼠 PLIs 中优先表达的基因，这些基因与神经功能和疾病相关，暗示了人类和小鼠 PLIs 在功能上的差异。
4. 核抑制性神经元与皮质神经元的关系：进一步分析发现，人类 i2 和 i3 类核抑制性神经元与皮质 MLI2、PLI 和 Golgi 细胞在基因表达上存在相似性，且不同亚类的核神经元优先与特定的皮质抑制性中间神经元聚类。对比小鼠数据发现，虽然也存在类似的聚类模式，但人类和小鼠的 i2.3 细胞存在明显差异，人类 i2.3 细胞的多样性更高。这表明在进化过程中，小脑核抑制性神经元在不同物种间既有保守性又有特异性。

研究结论与意义：照亮小脑研究的新灯塔

这项研究通过对人类和小鼠小脑抑制性中间神经元基因表达的深入比较，揭示了两者之间的显著差异和分子相似性。研究结果表明，小鼠小脑 PLIs 的分类方法可能不适用于人类，需要重新审视和修改。同时，研究还发现了小脑核抑制性神经元的分子多样性，以及它们与皮质抑制性神经元的紧密联系，为理解小脑的功能组织和进化提供了重要依据。

尽管基因表达差异不能直接预测功能差异，还需考虑如可变剪接、mRNA 编辑等多种因素，但该研究为后续的形态学和功能研究奠定了坚实基础。它为我们指明了进一步研究的方向，有助于我们更深入地探索小脑生物学的未知领域，对神经发育、神经疾病的研究以及开发新的治疗策略具有重要的指导意义。