關(guān)于大腦神經(jīng)元能否再生，一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域十分關(guān)注的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為大腦中的神經(jīng)元在成年后難以再生，但也有研究表明在大腦的某些區(qū)域，如海馬，即使在成年后，仍然具有一定的產(chǎn)生新神經(jīng)元的功能[1]。

目前的理論認(rèn)為，在成年后海馬的神經(jīng)發(fā)生過(guò)程中，神經(jīng)干細(xì)胞首先產(chǎn)生中間神經(jīng)前體細(xì)胞和神經(jīng)母細(xì)胞，然后分裂為未成熟的齒狀回顆粒細(xì)胞（imGCs，接受大腦皮層信息輸入的神經(jīng)元），并逐漸變?yōu)樾碌某墒焐窠?jīng)元[2]。

然而由于海馬未成熟神經(jīng)元的標(biāo)志物有限，且研究方法較為復(fù)雜，因此科學(xué)家們對(duì)其知之甚少。

近期，來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的宋洪軍和明國(guó)莉的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)單核RNA測(cè)序（snRNA-seq）和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對(duì)人一生中不同階段的海馬imGCs進(jìn)行分析，構(gòu)建了首個(gè)人全生命周期imGCs的分子特征，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》雜志[3]。

他們發(fā)現(xiàn)，在人的整個(gè)生命周期中，海馬中均存在imGCs，嬰兒期imGCs占到顆粒細(xì)胞總數(shù)量的9.4%，4歲以后則為3.1%~7.5%，并隨著年齡的增長(zhǎng)這一比例逐漸下降。與成熟顆粒細(xì)胞（mGCs）相比，imGCs的基因表達(dá)特征與神經(jīng)發(fā)生及可塑性相關(guān)。同時(shí)，手術(shù)獲得的人成年海馬組織在體外培養(yǎng)后能夠獲得大量的imGCs，這些結(jié)果都支持成年大腦具有神經(jīng)再生的功能。

此外，研究人員還注意到，在阿爾茨海默?。ˋD）患者中，imGCs數(shù)量減少，且基因表達(dá)改變，表明了imGCs在AD中具有一定的研究?jī)r(jià)值。

論文首頁(yè)截圖

研究人員首先對(duì)4個(gè)嬰兒（這一時(shí)期imGCs豐度較高[4]）的海馬樣本進(jìn)行了snRNA-seq分析，并根據(jù)未成熟神經(jīng)元標(biāo)記DCX、顆粒細(xì)胞標(biāo)記PROX1和CALB1（CALB1在某些imGCs表達(dá)，但在mGCs中表達(dá)更高）對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類。

他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的非監(jiān)督聚類方法無(wú)法在snRNA-seq數(shù)據(jù)集中識(shí)別imGCs群體（在以PROX1為標(biāo)志的顆粒細(xì)胞中，DCX+imGCs與其他細(xì)胞混合在一起，無(wú)法進(jìn)一步分離）。

通過(guò)統(tǒng)的非監(jiān)督聚類方法無(wú)法識(shí)別imGCs

為了識(shí)別imGCs，研究人員嘗試使用一種有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類[5]。該方法通過(guò)對(duì)原型細(xì)胞的分子特征進(jìn)行提取，進(jìn)而對(duì)每個(gè)待分類細(xì)胞與原型細(xì)胞進(jìn)行相似性分析，從而進(jìn)行細(xì)胞分類。

進(jìn)行為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，研究人員首先將其應(yīng)用于不同年齡小鼠海馬的單細(xì)胞測(cè)序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)集（可準(zhǔn)確區(qū)分神經(jīng)母細(xì)胞、imGCs和mGCs）。緊接著，研究人員將小鼠海馬數(shù)據(jù)集中顆粒細(xì)胞集群中的Dcx+Prox1+Calb1-imGCs細(xì)胞作為原型，同時(shí)還有主要的非神經(jīng)元細(xì)胞類型的原型（星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞），對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

模型訓(xùn)練完成后，將其用于不同年齡階段小鼠海馬數(shù)據(jù)集的每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分類，并將模型的分類與集群注釋相比較，發(fā)現(xiàn)模型識(shí)別的未成熟神經(jīng)元主要為imGCs和神經(jīng)母細(xì)胞，且imGCs占到絕大多數(shù)。重要的是，該模型可區(qū)分imGCs與mGCs。因此，這種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以有效地區(qū)分未成熟神經(jīng)元和成熟神經(jīng)元。

緊接著，研究人員將該模型應(yīng)用于嬰兒海馬數(shù)據(jù)集，以嬰兒imGCs（Dcx+Prox1+Calb1-）和其他非神經(jīng)元細(xì)胞（星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞、成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞）為原型細(xì)胞進(jìn)行分類，識(shí)別出樣本中的imGCs。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法識(shí)別人嬰兒時(shí)期海馬中imGCs

與mGCs相比，imGCs的基因表達(dá)特征與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生和突觸發(fā)生相關(guān)。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在嬰兒齒狀回標(biāo)本中，93.8%的Dcx+Prox1+Calb1-imGCs表達(dá)STMN1（微管解聚蛋白），而91.4%的Stmn1+Prox1+細(xì)胞Dcx陽(yáng)性（imGCs），20.7%的Stmn1+Prox1+細(xì)胞Calb1陽(yáng)性（更大概率為mGCs），這提示了STMN1是imGCs潛在的生物標(biāo)記。

STMN1是imGCs潛在的生物標(biāo)記

完善了方法學(xué)后，研究人員將此模型應(yīng)用于不同生命階段（出生前、兒童期、青春期、成年期和老年期）和區(qū)域的人腦樣本。

研究結(jié)果顯示，在出生前，人海馬區(qū)和前額葉皮質(zhì)都含有豐富的未成熟神經(jīng)元，其中大部分為imGCs。在出生后，在所有年齡段的每個(gè)海馬區(qū)標(biāo)本中，也都發(fā)現(xiàn)了與人類imGCs原型細(xì)胞高度相似的細(xì)胞。每個(gè)年齡組顆粒細(xì)胞中imGCs的平均百分比為：產(chǎn)前51.8%，嬰兒期9.4%，4歲及以后的3.1-7.5%，并呈逐年下降趨勢(shì)。

不同生命階段imGCs豐度

為了找到不同生命階段的人imGCs的共同分子特征，研究人員將imGCs與mGCs進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)所有生命階段的imGCs的基因表達(dá)與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育（如NEUROD1和BHLHE22）、離子轉(zhuǎn)運(yùn)（如FXYD7和KCNQ5）和神經(jīng)元投射發(fā)育（如SEMA6D和NR2F1）更相關(guān)。

與mGCs相比，imGCs的基因表達(dá)與神經(jīng)再生與發(fā)育相關(guān)

同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，imGCs的基因表達(dá)存在一定的時(shí)間規(guī)律，即隨著人類發(fā)育而產(chǎn)生一定差異，包括谷氨酸受體信號(hào)通路的持續(xù)上調(diào)和神經(jīng)元遷移和突觸投射相關(guān)基因的下調(diào)。

imGCs的基因表達(dá)隨年齡增長(zhǎng)而發(fā)生變化

此外，研究人員還探索了imGCs在不同大腦疾病中的潛在作用，對(duì)AD、自閉癥譜系疾病、癲癇、抑郁癥和精神分裂癥疾病風(fēng)險(xiǎn)基因進(jìn)行了富集分析，發(fā)現(xiàn)這些基因在特定年齡的imGCs中的選擇性表達(dá)，且表達(dá)時(shí)間與這些疾病發(fā)病關(guān)鍵時(shí)期相吻合，如AD患者的風(fēng)險(xiǎn)基因在老年時(shí)期的imGCs表達(dá)更高，自閉癥譜系疾病的風(fēng)險(xiǎn)基因在早期發(fā)育階段的imGCs表達(dá)更高。

多種疾病的風(fēng)險(xiǎn)基因在疾病發(fā)病關(guān)鍵時(shí)期相吻合

而在AD患者樣本中，海馬中imGCs占顆粒細(xì)胞的比例遠(yuǎn)低于正常對(duì)照組，且與突觸可塑性和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因表達(dá)顯著下調(diào)。

細(xì)胞-細(xì)胞相互作用分析顯示，AD患者的imGC與星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞、GABA能中間神經(jīng)元等的相互作用顯著減少。這些結(jié)果都表明imGCs在AD中很可能起到一定的作用，具有潛在的研究?jī)r(jià)值。

AD患者海馬中imGCs數(shù)量減少且功能失調(diào)

最后，為了驗(yàn)證成年后海馬產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力，研究人員對(duì)年齡從2-61歲的10個(gè)癲癇患者的海馬樣本進(jìn)行體外培養(yǎng)，其中有8個(gè)在體外培養(yǎng)1-2周后可觀察到EDU+Prox1+Calb1-新生顆粒細(xì)胞，且超過(guò)80%的細(xì)胞DCX或STMN1陽(yáng)性。這些結(jié)果表明了成年海馬后齒狀回中仍可產(chǎn)生新的顆粒細(xì)胞。

總的來(lái)說(shuō)，該研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，在單細(xì)胞分辨率下構(gòu)建了首個(gè)人海馬區(qū)imGCs在整個(gè)生命周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)分子特征圖譜，證明了成年后海馬中仍然存在imGCs，具有發(fā)展為成熟的新顆粒細(xì)胞的能力。

同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)人不同生命階段的imGCs存在差異表達(dá)的基因，且一些與疾病相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)基因可在特定階段在imGCs中選擇性表達(dá)，具有作為干預(yù)靶點(diǎn)的潛力。