解析神经系统的细胞构成及不同细胞类型的空间分布是理解神经系统功能的基础，也是目前神经科学研究的热点之一。前额叶皮层（PFC，prefrontal cortex）是位于大脑前部的皮层结构，是具有执行高度复杂行为功能的重要区域之一，在认知、情感、奖赏、决策和疼痛调节方面扮演着重要角色。前额叶皮层的功能异常会引起许多认知和精神障碍等相关疾病。

因此，前额叶皮层如何调控如此多样化的功能吸引诸多研究者关注。先前科学家通过使用单细胞RNA测序解码了小鼠前额叶皮层的细胞异质性【1,2】。然而，细胞的空间组织和相互作用的信息仍有待阐明，而这些信息正是前额叶皮层功能多样性的主要决定因素。大脑皮层有着相对均一的分层结构,但大脑皮层的不同区域却执行着高度专业化的功能，包括视觉、运动、体感等。这种脑区的功能特化可能是由多个维度的特征所致，比如分子组成、神经投射以及每个皮层区域内细胞亚型的空间组织。解码这种组织逻辑不仅对于理解皮层功能至关重要，而且对于开发有选择性地靶向皮层的相关神经疾病的药物也至关重要，使得靶向认知（额叶皮层）或听觉（听觉皮层）缺陷的药物不会破坏其他（视觉或运动）功能。

2023年10月16日，来自美国哈佛医学院和波士顿儿童医院的张毅教授及Jeffrey Moffitt教授的研究团队在Nature Neuroscience杂志上发表了题为Spatial transcriptomics reveal distinct organization of mouse prefrontal cortex and neuronal subtypes regulating chronic pain的文章 ，使用MERFISH (multiplexed error-robust FISH) 空间转录组技术【3】构建了小鼠前额叶皮层和其附近皮层的细胞图谱，系统的研究了不同神经细胞亚型的分布特征和分子组成，并且解析了参与疼痛响应的细胞亚型。

首先，研究人员对于成年小鼠的前额叶皮层及其周围皮层进行了空间转录组分析，并成功地检测到约50万个细胞，这些细胞可聚类为52种细胞亚型。研究人员进一步分析了不同细胞亚型的空间分布特征。首先，同其他皮层相似，前额叶皮层的细胞亚型也成层状组织。但在兴奋性神经细胞亚型的空间分布上，前额叶皮层与其他皮层有着显著的不同（图1）。使用张毅研究组之前开发的iSpatial生物信息工具【4】，研究人员鉴定了190个在前额叶皮层特异高表达的基因。这些细胞和分子特征为理解前额叶皮层功能的特异性奠定基础。

 

图1根据MERFISH空间转录组数据划分的细胞亚类及它们的空间分布

大脑神经元通过构建复杂的神经网络进行信息传递。前额叶皮层的神经元末梢可以投射到不同脑区，包括纹状体、伏隔核、丘脑、下丘脑、杏仁核、中央灰质或腹侧被盖区等。然而，投射性神经元的空间分布以及不同神经元亚型是否投射到不同的靶区尚未被充分研究。对此，研究者通过联合分析MERFISH和单细胞神经元投射数据，使用机器学习方法成功预测了兴奋性神经亚型的下游投射脑区。研究者发现大多数神经元亚型可以投射到多个目标脑区，同个脑区也往往接收多种神经元亚型的信息。进一步解析这种复杂的投射关系，能更好地解析前额叶皮层的复杂功能。

图2 机器学习方法预测兴奋性神经元亚型的下游投射脑区

除此之外，前额叶皮层在调控慢行疼痛方面发挥着关键作用。尽管人群中慢性疼痛的发病率逐年升高，但其分子基础仍然未知。前期研究发现慢性疼痛与前额叶皮层中细胞的兴奋性和基因表达水平有着密切的关系【5】，然而发生相关改变的细胞亚型和空间位置信息尚不清楚。在此研究中，研究者通过MERFISH技术揭示了慢性疼痛响应的脑区和特定的神经细胞亚型。其中，位于第五层、投射到中脑导水管周围灰质（PAG，Periaqueductal gray）脑区的L5 ET神经细胞亚型神经活性明显降低，表明其神经活动和功能在慢性疼痛中发生了重要改变。这一发现提供了研究调控慢行疼痛的细胞靶向性。

图3 慢行疼痛在前额叶皮层引起的细胞、分子变化

总的来说，本研究描绘了前额叶皮层在分子、细胞和神经投射水平上的特征，并且刻画了这些特征与相邻皮层的异同。最后，研究者揭示参与慢性疼痛的关键神经元亚型的分子特性。这份完整的小鼠前额叶皮层细胞图谱，将有助于解析潜在的发挥功能的分子、细胞和神经回路的致病机制。

这一研究由哈佛医学院波士顿儿童医院张毅实验室和哈佛医学院波士顿儿童医院Jeffrey Moffitt实验室合作完成。张毅实验室的Aritra Bhattacherjee博士（实验）和张超博士（分析）为该研究的共同第一作者。Jeffrey Moffitt实验室的Brianna Watson博士和张毅实验室的前博士后研究员Mohamed Nadhir Djekidel对本研究做出了重要贡献。张毅教授和Jeffrey Moffitt助理教授为本文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01455-9

参考文献

1 Bhattacherjee, A., Djekidel, M. N., Chen, R., Chen, W., Tuesta, L. M. & Zhang, Y. Cell type-specific transcriptional programs in mouse prefrontal cortex during adolescence and addiction. Nat Commun 10, 4169 (2019). https://doi.org:10.1038/s41467-019-12054-3

2 Lui, J. H. et al. Differential encoding in prefrontal cortex projection neuron classes across cognitive tasks. Cell 184, 489-506 e426 (2021). https://doi.org:10.1016/j.cell.2020.11.046

3 Chen, K. H., Boettiger, A. N., Moffitt, J. R., Wang, S. & Zhuang, X. RNA imaging. Spatially resolved, highly multiplexed RNA profiling in single cells. Science 348, aaa6090 (2015). https://doi.org:10.1126/science.aaa6090

4 Zhang, C., Chen, R. & Zhang, Y. Accurate inference of genome-wide spatial expression with iSpatial. Sci Adv 8, eabq0990 (2022). https://doi.org:10.1126/sciadv.abq0990

5 Ong, W. Y., Stohler, C. S. & Herr, D. R. Role of the Prefrontal Cortex in Pain Processing. Mol Neurobiol 56, 1137-1166 (2019). https://doi.org:10.1007/s12035-018-1130-9