Science封面！大脑受伤了如何自行恢复？华大构建全球首个脑再生时空图谱

大脑再生需要以特定时间和特定区域的方式协调复杂的反应。

识别参与这一过程的细胞类型和分子将促进我们对大脑再生的理解，并为再生医学研究提供潜在的靶标。然而，哺乳动物大脑的有限再生能力以及对细胞和分子水平上再生过程的不完整机制理解阻碍了该领域的进展。墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum ）（蝾螈的一种，也叫六角恐龙，外形独特、可爱，具有强大的再生能力）可以再生受损的附肢和多个内部器官，包括大脑。 因此，蝾螈可以作为研究大脑再生的模型。

2022年9月2日，杭州华大生命科学研究院，深圳华大生命科学研究院、青岛华大基因研究院、广东省人民医院、华南师范大学、武汉大学、中国科学院大学生命科学学院、深圳湾实验室、美国Whitehead生物医学研究所、丹麦哥本哈根大学等来自中国、美国、丹麦3个国家的17家单位合作，顾颖，徐讯，陈亮，费继锋及黎瀚博作为通讯作者在Science 在线发表题为“Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration”的封面文章，该研究进行了空间增强分辨率组学测序 (Stereo-seq)，以在发育和再生过程中捕获轴突端脑切片的空间分辨单细胞转录组。带注释的细胞类型表现出不同的空间分布、分子特征和功能。

该研究通过类似于发育过程中的神经发生的细胞状态转换过程，在伤口部位鉴定出一个损伤诱导的室管膜胶质细胞簇，作为潜在补充丢失神经元的祖细胞群。转录组比较表明，这些诱导的细胞可能来源于局部常驻的室管膜胶质细胞。该研究进一步在病变部位发现了空间定义的神经元，这些神经元可能退化为未成熟的神经元样状态。总之，该研究工作建立了 无羊膜四足动物大脑的空间转录组谱，并解码了室管膜胶质细胞的潜在神经发生以进行发育和再生，从而为脊椎动物大脑再生提供了机制见解。

由于再生能力有限，哺乳动物在从脑损伤中恢复时面临挑战。相比之下，硬骨鱼和蝾螈等低等脊椎动物则表现出再生能力。

蝾螈的前脑再生首先在幼虫中观察到，后来在成虫中观察到。蝾螈端脑中丢失的皮质细胞类型显然可以在受伤后恢复。因此，蝾螈可以作为研究大脑再生的模型，可能会带来一些有价值的发现，这些发现对于理解哺乳动物大脑再生的固有局限性以及最终开发中枢神经系统的再生医学是有价值的。

\先前对各种再生物种的研究表明，与哺乳动物中的神经干细胞相当的室管膜胶质细胞 (EGC) 在脑再生过程中有助于神经发生。

蝾螈 EGCs 可能在发育过程中产生大脑中几乎所有的细胞类型。与哺乳动物不同，一旦大脑发育完成，神经干细胞几乎被消耗掉，除了脑室下区和海马齿状回中的那些，成年蝾螈在大脑中含有分裂的 EGC。EGC 分布在成年蝾螈大脑的整个心室区 (VZ) 中，以及红斑蝾螈的 VZ 的几个受限区域中。

据报道，红斑蝾螈含有两组 EGC：缓慢分裂和瞬时放大的 EGC。

第一组是干细胞样，表达胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和谷氨酰胺合成酶，并表现出长期保留5-溴-2′-脱氧尿苷（BrdU）的干细胞特性。第二组位于 VZ 的增殖热点内并经常分裂。两个 EGC 组都可以对损伤做出反应，并可以扩展到大脑皮层的更大区域。

Science封面文章（图片来源于Science ）

到目前为止，EGCs 在再生中的作用和调节仅得到部分表征。在蝾螈和鱼类中记录了一些 EGC 激活和脑再生的信号通路，例如 Notch、FGF 和 Gata3；这些也与大脑发育有关，表明大脑再生和发育可能具有相似的分子调控。然而，目前尚不清楚大脑再生是否以及在多大程度上概括了胚胎发育。因此，需要对细胞和分子功能进行更系统的表征，以证实对脑再生的机制理解。

蝾螈脑再生时空图谱（图片来源于Science ）

已经开发了几种适用于剖析发育和组织再生过程的空间转录组技术，以解决原位细胞的基因表达谱。

通过这些方法，小鼠大脑或人类皮层的原位转录组谱已分别以 100 和 55 μm 的分辨率解析，这反映了一组相邻细胞的平均表达谱。考虑到大脑结构和细胞类型的复杂性，需要提高转录本捕获的分辨率以提高数据解释的准确性。

序列荧光原位杂交 (FISH) 和多重抗错 FISH 被开发用于分析单细胞中的基因表达，但它们的应用受到低通量和对特殊设备的要求的限制。

该研究使用空间增强分辨率组学测序 (Stereo-seq)，确定了在一系列发育和再生阶段的轴突端脑切片的空间分辨单细胞转录组。

这些数据使研究人员能够识别细胞类型，包括参与发育和再生的 EGC 亚型。进一步的分析表明，发育和再生神经发生在从 EGC 到成熟神经元和相关分子特征的细胞谱系动力学中具有相似性。该研究还观察到与具有神经元回归特征的 EGC 相邻的伤口刺激细胞簇。总之，

该研究工作概述了蝾螈大脑发育和再生过程中的细胞动力学，从中可以深入了解大脑再生的分子调控。