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人类海马体成年神经发生研究：增殖性神经祖细胞的鉴定与表征

1. 研究作者与发表信息

本研究由Jonas Frisén团队主导，主要作者包括Ionut Dumitru、Marta Paterlini、Margherita Zamboni等，来自瑞典卡罗林斯卡学院（Karolinska Institutet）的细胞与分子生物学系。研究于2025年7月3日发表在**《Science》**期刊上，标题为《Identification of Proliferating Neural Progenitors in the Adult Human Hippocampus》。

2. 学术背景

科学领域：神经科学（Neuroscience），聚焦于成年海马体神经发生（adult hippocampal neurogenesis）。

研究动机：成年海马体神经发生对记忆形成和情绪调节至关重要，但在人类中的存在与否长期存在争议。既往研究因技术限制未能明确鉴定增殖性神经祖细胞（proliferating neural progenitor cells），导致对成年神经发生的机制理解不足。

研究目标：通过单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）和空间转录组技术，系统鉴定人类从出生到成年海马体中的神经祖细胞，并解析其分子特征与空间分布。

3. 研究流程与实验设计

研究分为以下关键步骤：

（1）儿童期海马体神经祖细胞的鉴定

• 样本：6名0-5岁儿童的完整海马体，共测序115,861个细胞核。

• 方法：

  • 使用基于液滴的snRNA-seq技术，结合批次效应校正和细胞类型注释（标记基因表达分析）。

  • 通过Louvain聚类和RNA速率分析（RNA velocity）重建神经发生轨迹，鉴定神经干细胞（neural stem cells, NSC）、中间神经祖细胞（intermediate neural progenitors, INPs）、神经母细胞（neuroblasts, NB）和未成熟颗粒神经元（immature granule neurons）。

• 关键发现：

  • 儿童期存在完整的神经发生轨迹，INPs和NB表达增殖标记物（如MKI67）和神经分化基因（如EOMES、DCX）。

  • 扩散映射分析（diffusion map）证实了从NSC到颗粒细胞的分化路径。

（2）跨物种比较分析

• 数据整合：将人类儿童期数据与幼年小鼠海马体数据集（Hochgerner et al., 2018）整合，通过UMAP可视化和层次聚类分析。

• 结果：

  • INPs和NB在转录水平上高度保守，但神经干细胞和未成熟神经元存在物种特异性差异（如HES6在人类NSC中表达，而在小鼠中仅限INPs）。

（3）成年海马体神经祖细胞的富集与鉴定

• 样本：19名13-78岁个体的海马体或齿状回（dentate gyrus），其中12例通过流式分选富集Ki67+细胞核。

• 方法：

  • 开发机器学习算法（scPred、LMN、ScanVI）预测成年样本中与儿童期祖细胞转录相似的细胞。

  • 结合Xenium空间转录组和RNAscope原位杂交技术，定位祖细胞的空间分布。

• 关键发现：

  • 在成年样本中鉴定出354个祖细胞（包括NSC、INPs和NB），主要位于齿状回颗粒细胞层（granule cell layer, GCL）及其邻近区域。

  • 70%的成年祖细胞处于细胞周期中，表达增殖相关基因（如TOP2A、PCNA）。

（4）空间定位与验证

• 技术：Xenium平台（单细胞分辨率）和RNAscope（高灵敏度）。

• 结果：

  • 成年神经干细胞共表达NESTIN、ASCL1和SOX2，INPs表达EOMES和SOX11，NB表达DCX和CALB2。

  • 增殖性祖细胞常成对或小簇分布，提示活跃的细胞分裂。

4. 主要结果

• 儿童期：明确的海马体神经发生轨迹，支持神经祖细胞的增殖与分化。

• 成年期：尽管数量稀少，但通过富集和机器学习成功鉴定增殖性祖细胞，其转录特征与儿童期和小鼠模型高度相似。

• 跨物种一致性：神经发生路径在人类、小鼠、猪和猕猴中保守，但部分基因（如APOLD1、RRM2）可能为人类特有。

5. 结论与意义

• 科学价值：首次在成年人类海马体中系统鉴定增殖性神经祖细胞，解决了关于成年神经发生是否存在的争议。

• 应用价值：为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）和精神疾病（如抑郁症）的研究提供新靶点。

• 技术贡献：结合snRNA-seq、机器学习和空间转录组的多模态方法，为稀有细胞研究树立了新范式。

6. 研究亮点

• 关键发现：成年人类海马体存在持续的神经发生，但祖细胞数量随年龄增长显著减少。

• 方法创新：

  • 开发高特异性机器学习模型（假阳性率仅0.37%）。

  • 首次应用Xenium平台解析人类神经发生的空间结构。

• 跨物种分析：揭示了神经发生的保守性与物种特异性差异。

7. 其他价值

• 个体差异：部分成年样本（如40岁癫痫患者）祖细胞数量异常增高，提示疾病或遗传因素可能调节神经发生。

• 数据公开：所有测序数据与代码已公开于Zenodo平台，促进后续研究验证与拓展。

该研究通过多学科技术整合，为人类成年神经发生提供了迄今最全面的证据，并为未来治疗干预奠定了分子基础。