《自然》:中国科学家重磅成果为成人神经再生提供铁证！

来源：奇点蛋糕2022-09-23 17:06

本研究通过机器学习方法，以单细胞分辨率构建了人类海马imGCs的首个动态分子特征图谱，证明了imGCs在成年海马中仍然存在，并具有发育为成熟的新颗粒细胞的能力。

脑神经元能否再生一直是神经科学领域非常关注的问题。

传统观点认为，大脑中的神经元在成年后很难再生，但一些研究表明，大脑的某些区域，如海马体，即使在成年后仍具有一定的产生新神经元的功能[1]。

根据目前的理论，在成年期海马的神经发生过程中，神经首先产生中间神经前体细胞和成神经细胞瘤细胞，然后分裂为未成熟的齿状回颗粒细胞(imGCs，从大脑皮层接收信息输入的神经元)，并逐渐成为新的成熟神经元[2]。

但由于未成熟海马神经元的标记物有限，研究方法复杂，科学家对其知之甚少。

近日，美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院宋红军和明国立研究团队通过单核RNA测序(snRNA-seq)和机器学习方法分析了人类生命不同阶段海马中的imGCs，首次构建了人类生命周期中imGCs的分子特征。相关研究发表在期刊《自然》上[3]。

他们发现imGCs在人的整个生命周期中都存在于海马体中，婴儿期占颗粒细胞总数的9.4%，4岁以后占3.1%~7.5%，并且这一比例随着年龄的增长而逐渐降低。与成熟颗粒细胞相比，imGCs的基因表达特征与神经发生和可塑性有关。同时，手术获得的成年海马组织体外培养后可获得大量imGCs。这些结果都支持成人大脑具有神经再生的功能。

此外，研究人员还注意到阿尔茨海默病(AD)患者的imGCs数量减少，基因表达发生变化，表明imGCs在AD中具有一定的研究价值。

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首先，研究人员对4名婴儿的海马样本进行了snRNA-seq分析(imGCs在此期间大量存在[4])，并根据未成熟神经元标记物DCX、颗粒细胞标记物PROX1和CALB1(CALB1在一些imGCs中表达，但在MGC中更高)对细胞进行了分类。

他们发现，传统的无监督聚类方法无法识别snRNA-seq数据集中的imGCs群体(在PROX1标记的颗粒细胞中，DCX imGCs与其他细胞混合在一起，无法进一步分离)。

无监督聚类方法不能识别ImGCs。

为了识别imGCs，研究人员试图使用有监督的机器学习方法对细胞进行分类[5]。方法提取原型细胞的分子特征，然后分析每个待分类细胞与原型细胞的相似性，从而对细胞进行分类。

为了验证这种方法的准确性，研究人员首先将其应用于不同年龄小鼠海马的单细胞测序(scRNA-seq)数据集(可以准确区分神经母细胞瘤、imGCs和mGCs)。然后，研究人员使用小鼠海马数据集中颗粒细胞簇中的Dcx Prox1 Calb1-imGCs细胞作为原型，以及主要非神经元细胞类型(星形胶质细胞、少突胶质细胞前体和小胶质细胞)的原型来训练模型。

模型训练后，用于对不同年龄小鼠海马数据集中的每一个细胞进行分类。对比聚类标注发现，模型识别的未成熟神经元主要是imGCs和神经母细胞，imGCs占绝大多数。重要的是，这个模型可以区分imGCs和MGC。因此，这种基于机器学习的方法可以有效区分未成熟神经元和成熟神经元。

然后，研究人员将模型应用于婴儿海马数据集，将婴儿imGCs(Dcx Prox1 Calb1-)和其他非神经元细胞(星形胶质细胞、少突胶质细胞前体、成熟少突胶质细胞和小胶质细胞)分类为原型细胞，并识别样本中的imGCs。

基于机器学习的人类婴儿海马内皮层神经元的识别

与mGCs相比，imGCs的基因表达特征与神经系统发育、神经发生和突触发生有关。

此外，研究人员还发现，93.8%的Dcx Prox1 Calb1-imGCs表达StMN1(微管解聚蛋白)，而91.4%的ST

STMN1是imGCs潜在的生物标记

完善了方法学后，研究人员将此模型应用于不同生命阶段（出生前、儿童期、青春期、成年期和老年期）和区域的人脑样本。

研究结果显示，在出生前，人海马区和前额叶皮质都含有丰富的未成熟神经元，其中大部分为imGCs。在出生后，在所有年龄段的每个海马区标本中，也都发现了与人类imGCs原型细胞高度相似的细胞。每个年龄组颗粒细胞中imGCs的平均百分比为：产前51.8%，婴儿期9.4%，4岁及以后的3.1-7.5%，并呈逐年下降趋势。

不同生命阶段imGCs丰度

为了找到不同生命阶段的人imGCs的共同分子特征，研究人员将imGCs与mGCs进行了比较，发现所有生命阶段的imGCs的基因表达与神经系统发育（如NEUROD1和BHLHE22）、离子转运（如FXYD7和KCNQ5）和神经元投射发育（如SEMA6D和NR2F1）更相关。

与mGCs相比，imGCs的基因表达与神经再生与发育相关

同时，研究人员还发现，imGCs的基因表达存在一定的时间规律，即随着人类发育而产生一定差异，包括谷氨酸受体信号通路的持续上调和神经元迁移和突触投射相关基因的下调。

imGCs的基因表达随年龄增长而发生变化

此外，研究人员还探索了imGCs在不同大脑疾病中的潜在作用，对AD、自闭症谱系疾病、癫痫、抑郁症和精神分裂症疾病风险基因进行了富集分析，发现这些基因在特定年龄的imGCs中的选择性表达，且表达时间与这些疾病发病关键时期相吻合，如AD患者的风险基因在老年时期的imGCs表达更高，自闭症谱系疾病的风险基因在早期发育阶段的imGCs表达更高。

多种疾病的风险基因在疾病发病关键时期相吻合

而在AD患者样本中，海马中imGCs占颗粒细胞的比例远低于正常对照组，且与突触可塑性和信号转导相关的基因表达显著下调。

细胞-细胞相互作用分析显示，AD患者的imGC与星形胶质细胞、少突胶质细胞前体细胞、GABA能中间神经元等的相互作用显著减少。这些结果都表明imGCs在AD中很可能起到一定的作用，具有潜在的研究价值。

AD患者海马中imGCs数量减少且功能失调

最后，为了验证成年后海马产生新神经元的能力，研究人员对年龄从2-61岁的10个癫痫患者的海马样本进行体外培养，其中有8个在体外培养1-2周后可观察到EDU+Prox1+Calb1-新生颗粒细胞，且超过80%的细胞DCX或STMN1阳性。这些结果表明了成年海马后齿状回中仍可产生新的颗粒细胞。