人脑中高达80%的神经元都密集分布在一个常被低估的区域——小脑。它不仅是维持身体平衡、协调运动的“指挥官”，更深度参与思维、情感与语言等高级认知功能。然而，人类小脑在胎儿期是如何从简单的细胞团精密构建成复杂结构的，这一过程长期处于“黑箱”状态。如今，中国科学家利用前沿的“时空透视”技术，首次系统揭示了这一生命史诗的早期发育图景，相关发现也为理解自闭症等神经发育障碍提供了全新线索。

2024年2月26日，复旦大学与清华大学的联合团队在Cell Discovery上发表了一项重要研究。该研究整合了单细胞转录组（scRNA-seq）、单细胞染色质可及性（scATAC-seq）与空间转录组（Stereo-seq）技术，系统分析了孕13至18周的人类胎儿小脑样本，首次绘制出高时空分辨率的人类胎儿小脑发育图谱。通过鉴定跨物种保守的颗粒细胞（GC）祖细胞、揭示GC与浦肯野细胞（PKC）谱系的空间分布特征及其物种特异性，并构建了细胞类型特异的基因调控网络（GRN），该研究极大地深化了我们对于人类小脑谱系发育规律的理解。

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研究速览

研究对象：妊娠13周至18周的胎儿小脑样本

核心技术：单细胞转录组（scRNA-seq）、空间转录组（Stereo-seq）、单细胞染色质可及性（scATAC-seq）

样本规模：对孕13 – 18周样本进行scRNA-seq分析；对孕13周和16周样本进行Stereo-seq分析；对孕13周样本进行scATAC-seq分析

图1. 人类小脑发育的多组学分析

关键研究发现

01. 颗粒细胞（GC）祖细胞存在两种状态，并具有明确的空间分隔

研究发现，颗粒细胞（GC）的祖细胞并非同质群体，而是可被分为AT+GCPs和ND+GCPs两种状态。空间转录组数据明确显示，在妊娠13周（GW13）时，这两种细胞分别位于内胚胎发育层（iEGL） 和外胚胎发育层（oEGL），呈现出清晰的空间分离。这表明GC的早期发育存在不同的细胞亚群，并在空间上承担可能不同的功能。

图2. GC谱系中的轨迹推断和EGL祖细胞亚型

02. 基因表达沿解剖轴线分布，且具有人类特异性

分析表明，颗粒细胞中BARHL1和TLX3等基因的表达并非均匀分布，而是沿着小脑的前-后轴（A-P轴） 分布。跨物种比较分析证实，这种沿A-P轴的特定空间基因表达模式在人类中非常显著，而在小鼠数据中几乎不存在，揭示了小脑发育的物种差异。

图3. GC谱系的空间分离和亚谱系的特征

03. 浦肯野细胞（PKC）具有三种亚型，其空间分布动态变化
研究将浦肯野细胞（PKC）聚类为PKC1、PKC2和PKC3三种亚型。空间分析发现，在发育早期（如GW13），与PKC相关的基因表达沿背-腹轴（D-V轴） 分布，而到了GW16时期，这种表达模式发生了改变。研究指出，这一发育关键期的动态变化可能与自闭症等神经发育障碍存在潜在关联。

图4. 中间神经元谱系和PKC亚型的轨迹

发文启示

Stereo-seq技术如何推动脑科学研究?

空间多组学技术的兴起，正推动脑科学研究从“细胞类型清单”向“时空发育蓝图”的跨越。以Stereo-seq为代表的高分辨率空间转录组技术，不仅能获取全转录组表达信息，更可同步记录细胞在组织中的原始空间位置，从而实现在形态原位上直接观察细胞分化、迁移与区域特化的动态过程。

本研究通过整合scRNA-seq、scATAC-seq与Stereo-seq数据，构建了细胞类型特异的基因调控网络，识别出如EOMES、PBX3等关键转录因子，并揭示了浦肯野细胞亚型空间分布与神经发育障碍的潜在联系。这些发现充分体现了空间多组学在解析发育调控机制与疾病起源方面的强大能力。

对人类小脑发育的探索，本质上是在破译神经系统区域特化与环路组建的“时空编码”。

空间组学技术的应用，使研究者能够在细胞级分辨率下“透视”发育中的人脑结构，观察基因表达如何沿空间坐标有序变化，细胞又如何按时序协同形成功能区域。这项工作不仅为理解小脑相关发育疾病提供了关键线索，更标志着神经发育学研究正从“单细胞离散解析”迈向“多模态空间整合”的新阶段——当“时间”与“空间”维度被同时解锁，我们终将能够系统性还原人脑发育的全景动态图景。

（本研究使用的Stereo-seq测序芯片为时空转录组FF V1.3）