人類(lèi)的大腦就像是一件精心設(shè)計(jì)的藝術(shù)品，它擁有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)——由數(shù)百億個(gè)具有不同身份的細(xì)胞組成。這就像是一場(chǎng)由數(shù)百億位音樂(lè)家完成的復(fù)雜交響樂(lè)，每個(gè)細(xì)胞都執(zhí)行著重要的功能，缺少其中一環(huán)都可能導(dǎo)致這個(gè)精密系統(tǒng)的崩潰。

這也提出了一個(gè)疑問(wèn)，人類(lèi)大腦究竟是如何決定這些細(xì)胞的發(fā)育命運(yùn)的？為了揭示這個(gè)未解之謎，斯坦福大學(xué)的干細(xì)胞生物學(xué)家 Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等人開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可以分離、分析單個(gè)腦細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和功能特征，以此揭示干細(xì)胞形成人腦的過(guò)程。

2023年3月16日，該研究以：Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells 為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上。

人腦固然是擁有復(fù)雜的功能和結(jié)構(gòu)，但也不要忘記這數(shù)百個(gè)億個(gè)細(xì)胞其實(shí)都來(lái)源同一類(lèi)細(xì)胞——神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）。在發(fā)育中的大腦皮層中，放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（RG）可以作為神經(jīng)干細(xì)胞，自我更新并逐漸產(chǎn)生更多譜系的祖細(xì)胞，最終產(chǎn)生三個(gè)主要的神經(jīng)譜系：神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。

近年來(lái)，單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展為神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞（NSPCs）在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組多樣性提供了前所未有的空間和時(shí)間分辨率，從而產(chǎn)生了人類(lèi)NSPCs的詳細(xì)圖譜。然而，雖然轉(zhuǎn)錄組特征在識(shí)別細(xì)胞類(lèi)型和特征方面有很大的用途，但干細(xì)胞最終應(yīng)該由它們的功能來(lái)定義，特別是關(guān)于自我更新和分化潛力。

干細(xì)胞生物學(xué)的本質(zhì)在于能夠前瞻性地分離純細(xì)胞群進(jìn)行功能表征，例如保證可靠的組織分離和細(xì)胞表面標(biāo)記，以及用于純化和評(píng)估其自我更新和分化的體內(nèi)特性。

在這項(xiàng)最新研究中，Irving Weissman 和 Daniel Dan Liu 等開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)熒光激活細(xì)胞分選（FACS）純化不同NSPC亞群的方法，允許基于十多種細(xì)胞表面標(biāo)記物的定量表達(dá)進(jìn)行前瞻性分離。

研究流程圖

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)將高維流式細(xì)胞術(shù)與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合，全面純化和功能表征了妊娠中期發(fā)育中的人腦中的神經(jīng)干細(xì)胞和不同的下游神經(jīng)祖細(xì)胞亞群（GW17-19）。與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還利用基于細(xì)胞表面標(biāo)記物組合表達(dá)（免疫表型）的指數(shù)排序，直接將表面標(biāo)記物表達(dá)與單細(xì)胞表達(dá)的轉(zhuǎn)錄組聯(lián)系起來(lái)，允許嚴(yán)格驗(yàn)證排序純度。

從發(fā)育中的人腦中分離出NSPCs

基于此，研究團(tuán)隊(duì)從17-19周大的人類(lèi)胎兒中分離出腦細(xì)胞，并對(duì)細(xì)胞表面的11種蛋白質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，其中包括6種與神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育有關(guān)的蛋白質(zhì)。此外，他們還分析了RNA水平作為基因活性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并利用這些信息純化了10種可能產(chǎn)生星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的細(xì)胞。然后，研究團(tuán)隊(duì)將純化后的細(xì)胞注入小鼠大腦，并在6個(gè)月后分析了這些細(xì)胞及其后代的位置遷移，以及它們新獲的細(xì)胞身份。

人類(lèi)神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生的人類(lèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞（綠色）在小鼠大腦（紅色和藍(lán)色）中生長(zhǎng)

研究結(jié)果顯示，這種新的技術(shù)組合在組織處理和分選策略上允許同時(shí)純化10個(gè)定義的NSPC亞群，包括放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（RG）、神經(jīng)元前體、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體和星形膠質(zhì)細(xì)胞譜系細(xì)胞，并可以證明這些NSPC亞群在體外和體內(nèi)的功能特性。

研究模式圖

通過(guò)這項(xiàng)新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)確定了一種在轉(zhuǎn)錄組上獨(dú)特的雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞（GPC），這類(lèi)細(xì)胞只產(chǎn)生星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。有意思的是，小鼠大腦中的GPC細(xì)胞比人類(lèi)大腦更稀疏，Daniel Dan Liu 認(rèn)為這種特殊的細(xì)胞類(lèi)型可能對(duì)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物大腦的特定適應(yīng)很重要。

雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞（GPC）的鑒定

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，一種名為T(mén)hy1的蛋白質(zhì)的高水平表達(dá)與少突膠質(zhì)細(xì)胞譜系有關(guān)，這與以前的發(fā)現(xiàn)背道而馳，此前的研究認(rèn)為T(mén)hy1是神經(jīng)元而不是少突膠質(zhì)細(xì)胞的分子標(biāo)記。當(dāng)然，這種差異也可能是新方法提高了不同細(xì)胞類(lèi)型的分辨率的結(jié)果，因此這項(xiàng)技術(shù)也可能對(duì)研究其他種類(lèi)的干細(xì)胞十分有用。