賦能科研丨基于DNBelab C4和DNBSEQ測序平臺，迄今最完整靈長類腦細胞圖譜發(fā)布！

子孫滿堂康復(fù)師 2023-07-18 發(fā)布于黑龍江

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7月12日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、華大生命科學(xué)研究院等單位發(fā)布全球迄今最完整的靈長類腦細胞圖譜，為腦科學(xué)發(fā)展樹立了新的里程碑，也為阿爾茲海默病、帕金森病等腦疾病的研究提供了新的基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）。

值得一提的是，該研究基于華大智造自主開發(fā)的單細胞建庫平臺DNBelab C4和DNBSEQ-Tx超高通量測序平臺，研究人員可以以低成本、高靈敏度和準確性的方法進行多維的單細胞分析，快速準確地得到具有潛能的細胞，從而開展下一步的研究，為整個生命科學(xué)領(lǐng)域提供了一系列寶貴的數(shù)據(jù)資源。

截圖自Cell官網(wǎng)

獼猴是演化上最接近人類的模式動物，其大腦中包含超過60億個神經(jīng)元。在本次研究中，研究團隊通過Stereo-seq技術(shù)采集了獼猴大腦161張厚度為10微米切片的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并結(jié)合華大智造高通量單細胞建庫平臺DNBelab C4，獲取了百萬級別的獼猴大腦皮層單細胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過對獼猴大腦皮層的143個腦區(qū)中單個細胞的基因表達及狀態(tài)、空間信息進行聯(lián)合分析，研究團隊繪制了全球首個食蟹猴大腦全皮層的三維單細胞圖譜，并且繪制了細胞類型分類樹，揭示了不同類型細胞與腦區(qū)層級結(jié)構(gòu)的關(guān)系。本次研究產(chǎn)生了超過300Tb的數(shù)據(jù)，為迄今腦空間組學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)出的最大數(shù)據(jù)量。

研究團隊基于華大自主研發(fā)的時空組學(xué)技術(shù)與高通量單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，定義了迄今為止最全面的靈長類大腦皮層細胞類型及其分子特征，同時定位了不同細胞類型的空間分布。利用這個圖譜，科學(xué)家們能夠清楚地知道，獼猴大腦皮層中有哪些細胞類型、這些細胞類型分布在什么位置。作為目前最完整的靈長類腦細胞“說明書”，該研究可以為人腦功能、腦疾病、腦機接口等腦科學(xué)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)認知提供參考，將大幅加快腦科學(xué)研究進程。

本次研究使用的華大時空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，具有目前為止精度最高的“納米級分辨率”，清晰度約為iPhone 14 Pro照相機的200倍以上，且同時具有超大視場，因此被稱為超廣角百億像素“生命照相機”。Stereo-seq不僅解決了國際同類技術(shù)分辨率低、不能實現(xiàn)單細胞分辨率的問題，還解決了視場小，不能進行較大組織研究等問題。

總體實驗設(shè)計

突破性技術(shù)支撐腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)

“大腦的細胞組成及其空間分布規(guī)律是腦科學(xué)的基本問題，其重要性類似于人類基因組計劃完成的DNA堿基序列?！蔽恼鹿餐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員（現(xiàn)臨港實驗室研究員）李澄宇表示，“獼猴的大腦皮層組織在很多方面與人類相似，本次研究為系統(tǒng)分析細胞類型在皮層內(nèi)各層面特異和區(qū)域特異的分布，以及基因表達特征提供了目前最完整的靈長類大腦數(shù)據(jù)。”

該技術(shù)所使用的芯片是華大基于自主的DNBSEQ測序技術(shù)研制的具有空間位置信息的、陣列式排布的DNA納米球空間捕獲芯片，將認識生命空間的分辨率提高到了500納米的亞細胞層級。同時，在本次獼猴腦細胞研究中，研究團隊突破性地使用了5厘米x3厘米的大視場芯片，從而實現(xiàn)了猴腦大腦皮層全景分子圖譜的繪制。

“Stereo-seq技術(shù)的分辨率非常高，這是一個很大的優(yōu)勢，它能夠真正定位到單個細胞的具體空間位置，并且可以把細胞的類型及其分子特征定義出來?！蔽恼鹿餐谝蛔髡撸A大生命科學(xué)研究院主任科學(xué)家、副研究員雷瑩表示，“同時，它還有具有大視場的優(yōu)勢，以前沒有技術(shù)能夠做到。所以用這個技術(shù)做猴腦研究是很合適的，這也是目前空間組學(xué)技術(shù)在研究中應(yīng)用的最大視場。”

獼猴大腦皮層細胞類型空間分布圖譜

揭示靈長類大腦神經(jīng)元分布關(guān)系

基于大腦皮層圖譜，研究團隊發(fā)現(xiàn)，獼猴大腦中大量興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元以及非神經(jīng)元細胞在大腦皮層中的分布呈現(xiàn)明顯的各層面及各腦區(qū)的特異性?；诖耍芯繄F隊以視覺系統(tǒng)和軀體感覺系統(tǒng)為例，展開進一步研究，發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)的細胞類型組成與腦區(qū)層級組織之間存在顯著的相關(guān)性，處于相同層級的腦區(qū)往往具有類似的細胞類型組成，揭示了細胞組成和腦區(qū)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

此外，通過與已公開發(fā)表的人腦和鼠腦的單細胞數(shù)據(jù)進行跨物種比較，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了靈長類特有的興奮性神經(jīng)元細胞，并且這些細胞高表達與人類疾病相關(guān)的基因，包括控制語言能力發(fā)展的基因FOXP2、神經(jīng)發(fā)育異常相關(guān)基因DCC和EPHA3等。

“獼猴腦細胞圖譜的繪制，將幫助我們更好地認識腦疾病，為未來設(shè)計疾病治療靶點提供基礎(chǔ)參考資源。”文章共同通訊作者、華大生命科學(xué)研究院院長徐訊認為?！巴瑫r，它也有望推動腦科學(xué)領(lǐng)域的突破性進展，如在類腦智能和腦機接口中，通過更精確的腦電信號采集，實現(xiàn)更復(fù)雜的機體活動。這些都是值得期待的發(fā)展方向，需要全球科學(xué)家共同探索?！?/p>

本次研究是由多家單位的100多位跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的研究人員合作，依托我國自主研發(fā)的核心技術(shù)與大平臺，在明確目標任務(wù)的導(dǎo)向下，以分工互補、高效協(xié)作的“大科學(xué)”科研攻關(guān)模式共同完成。研究產(chǎn)生了較為完整的全球首套獼猴全腦皮層的單細胞以及空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資源庫現(xiàn)已實現(xiàn)公開共享（https://macaque./spatial-omics）。

獼猴大腦皮層細胞類型及基因表達數(shù)據(jù)庫

華大自主研發(fā)的核心技術(shù)與大平臺

今年，正值生命科學(xué)史上的重要里程碑——人類基因組計劃（HGP）宣布完成20周年，本研究也正是“共有、共為、共享”的HGP精神的傳承與延續(xù)。

未來，研究團隊將繼續(xù)在腦疾病機制與靶點研發(fā)、腦細胞與腦結(jié)構(gòu)演化、腦功能的細胞分子機制等領(lǐng)域繼續(xù)攻關(guān)，推動中國在相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)生原創(chuàng)性、引領(lǐng)性成果。

中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員李澄宇、劉志勇、青年研究員孫怡迪、副研究員沈志明，華大生命科學(xué)研究院研究員徐訊、劉龍奇、黎宇翔，臨港實驗室研究員魏武，騰訊AI Lab AI醫(yī)療首席科學(xué)家姚建華研究員為該論文共同通訊作者。華大生命科學(xué)研究院研究員陳奧、副研究員雷瑩、研究員廖莎、碩士研究生朱志勇，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心青年研究員孫怡迪、單細胞平臺主任李超、博士研究生孟娟、研究員梁智鋒、助理研究員袁妮妮、工程師楊浩，臨港實驗室博士后柏亦沁，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康所博士研究生劉振，騰訊AI Lab研究員吳子涵為該論文的共同第一作者。該成果獲得了科技部科技創(chuàng)新2030-重大項目“腦科學(xué)與類腦研究”、上海市級重大專項“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計劃”、中國科學(xué)院、基金委、深圳市、臨港實驗室重大任務(wù)等項目的支持。