人腦是由多種不同類別細(xì)胞組成的極其復(fù)雜的器官。傳統(tǒng)的細(xì)胞分類方法只能根據(jù)少數(shù)已知的細(xì)胞的標(biāo)記分子（marker）對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類，對(duì)每一類細(xì)胞的認(rèn)識(shí)也非常有限。

斯坦福大學(xué)的著名學(xué)者Stephen Quake及其團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，對(duì)466個(gè)人大腦皮層的單細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞測(cè)序結(jié)果不但能用于區(qū)分神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞以及血管細(xì)胞，還能將神經(jīng)元分為五類興奮性細(xì)胞和兩類抑制性細(xì)胞。同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)部分神經(jīng)元表達(dá)組織相容性復(fù)合物（MHC）相關(guān)基因，顛覆了人們長(zhǎng)期以來認(rèn)為神經(jīng)細(xì)胞不表達(dá)免疫分子的認(rèn)知。該研究成果已發(fā)表于在2015年6月9日的《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

由于人腦樣本難以獲得，長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于腦的認(rèn)識(shí)，大多來源于非靈長(zhǎng)類模式生物。然而人腦比小鼠等模式生物要復(fù)雜得多，單純研究模式生物，沒有辦法揭示與人腦復(fù)雜特性相關(guān)的細(xì)胞分子特征。

Stephen團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，給癲癇患者手術(shù)過程中，為了使器械能深入患區(qū)，外科醫(yī)生需要?jiǎng)冸x一小塊正常的大腦皮層組織。因此他們巧妙地利用8個(gè)癲癇患者手術(shù)過程中獲得的正常組織，作為后續(xù)單細(xì)胞測(cè)序的成年大腦皮層樣本。另外他們還從4個(gè)16-18周選擇性流產(chǎn)的胎兒身上，獲得了人胚胎期大腦皮層樣本。研究團(tuán)隊(duì)利用Fluidigm C1單細(xì)胞制備系統(tǒng)，對(duì)這些樣本共482個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行了高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控篩選后，共得到了466個(gè)單細(xì)胞的RNA測(cè)序數(shù)據(jù)。

“傳統(tǒng)的免疫熒光等技術(shù)，只能對(duì)單個(gè)細(xì)胞的1~2個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)；用腦組進(jìn)行高通量RNA測(cè)序，又只能粗略地了解該細(xì)胞群體整體的基因表達(dá)概況。我們采用單細(xì)胞測(cè)序的研究策略，能在單細(xì)胞水平對(duì)所有基因的表達(dá)水平進(jìn)行檢測(cè)，將單細(xì)胞的分辨率與新一代測(cè)序的基因檢測(cè)廣度結(jié)合了起來�！蔽闹袑懙�。

研究人員通過對(duì)單細(xì)胞測(cè)序結(jié)果進(jìn)行分析，將成年腦皮層細(xì)胞分為8大類，胚胎的分為2大類。接著，他們又將其中113個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞分為5個(gè)興奮性亞類和2個(gè)抑制性亞類。

“我們把利用單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)得到的分類結(jié)果，與用經(jīng)典Marker進(jìn)行細(xì)胞分類的結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者高度一致。這說明即使沒有先驗(yàn)的分子Marker，完全可以利用單細(xì)胞測(cè)序的結(jié)果對(duì)細(xì)胞進(jìn)行精確的類別細(xì)分”作者提到。

圖1. 人腦單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)能進(jìn)行精確的細(xì)胞分類

進(jìn)一步的研究，Stephen團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一系列未被報(bào)道的有趣現(xiàn)象：通過比較胚胎和成年大腦的單細(xì)胞測(cè)序結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)FAT3，EGR1等基因的表達(dá)水平，在神經(jīng)前體細(xì)胞分裂前后發(fā)生了劇烈地改變。另外，他們發(fā)現(xiàn)HLA等組織相容性復(fù)合物相關(guān)基因，確實(shí)表達(dá)于一神經(jīng)元亞類中，這顛覆了人們認(rèn)為神經(jīng)元中不表達(dá)免疫分子的認(rèn)知。并且他們還發(fā)現(xiàn)，不同類型神經(jīng)元在大腦皮層中的占比，人與小鼠有著不小的差異。

“如果測(cè)序樣本是群體細(xì)胞，這些現(xiàn)象很難被發(fā)現(xiàn)，這說明單細(xì)胞測(cè)序是一個(gè)強(qiáng)大的技術(shù)工具�！蔽闹袑懙健�

圖2.部分人腦細(xì)胞表達(dá)組織相容性復(fù)合物相關(guān)基因

Stephen團(tuán)隊(duì)的這些研究成功成果，為繪制人腦細(xì)胞圖譜的奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)�！坝辛诉@個(gè)圖譜，我們可以發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)胞類型特異的標(biāo)記分子（marker），并將其與特定的神經(jīng)環(huán)路聯(lián)系起來，最終將闡釋人類大腦的復(fù)雜奧秘”作者提到。

 圖3. Fluidigm C1系統(tǒng)單細(xì)胞捕獲示意圖

原文：
A survey of human brain transcriptome diversity at the single cell level.
Darmanis S, Sloan SA, Zhang Y, Enge M, Caneda C, Shuerd LM, Gephart MGH, Barres BA,, and Quake SR. Proc Natl Acad Sci; 112(23):7285-90.(2015)