大脑是人体中最为复杂的器官，尽管它有着巨大作用，但是人们对其功能仍了解甚微。据估计，人类大脑拥有约1000亿个神经元分布于不同脑区，形成极度复杂的神经网络。另外脑内还有数目比神经元更多的胶质细胞。传统的细胞分类方法只能根据少数已知细胞的分子标记进行分类，对每一类大脑细胞的认识也非常有限。

随着分子技术的发展，基于不同类型细胞的基因表达模式差异，科学家通常利用单细胞RNA测序，对细胞类型进行鉴定，确定神经元的亚型，进而为构建完整大脑细胞图谱奠定基础。今年10月16日，“人类细胞图谱计划”（the Human Cell Atlas） 首批拟资助的38个项目正式公布。这一大型国际合作项目致力于建立一个健康人体所包含的所有细胞的参考图谱，并以此加深对疾病诊断、监测、治疗的了解 。

但目前，构建完整的大脑细胞图谱仍受到多种条件的限制。首先，科学家仍需要一种高通量且无偏差的单细胞检测方法，而不受样本新鲜程度和活细胞分离的限制。此外，尽管转录组表达谱可以发现不同细胞类型在复杂组织中的功能差异，但仍需更多维度的人脑单细胞检测技术，以揭示不同人脑细胞中更全面的基因表达和调控信息。

张鹍教授

加州大学圣地亚哥分校张鹍教授团队2016年在Science上发表了第一个成年人脑单细胞神经元表达谱。近日，该团队在Nature Biotechnology上发表了一个基于全新单细胞核测序方法的成年人脑第二代单细胞图谱，再次引爆了单细胞研究的热点。

首先，研究团队将视线聚焦于脑组织提取的神经元和胶质细胞单细胞核，克服了样本的限制，使该方法可以应用于新鲜或冻存的脑组织，实现了冻存组织的大规模单细胞检测，且不受组织细胞解离的影响。另外，这项研究的一个创新之处在于结合了两种新一代高通量单细胞技术：基于微流体的单核测序（snDrop-seq）和单细胞转座体超敏性位点测序（scTHS-seq）的方法，不仅能利用转录组学分析鉴定不同功能的细胞类型，还能通过表观遗传特征更好地描述这些表达谱是如何调节或维持的，从而提供一个更全面的单细胞图谱。

该研究中，基于微流体的单核测序技术（snDrop-seq），不仅可以对成千上万个单细胞同时进行转录组分析，从多方面对细胞类型和细胞状态进行分类，还可用于评估新鲜和冻存人体组织中的特异性表达谱，有助于研究组织的功能异质性。值得一提的是，该技术还攻克了在微滴中有效裂解核膜而不引起RNA过度降解的难题。

为同时研究表观遗传特征，该团队开发了scTHS-seq技术。scTHS-seq拥有具有体外转录扩增的线性优势和改造后的超级突变Tn5转座酶，比ATAC-seq灵敏度更高，还提高了对被认为高度细胞特异性的远端增强子(distal enhancers)的覆盖率。

研究团队联合应用以上两种互补的方法最终建立了这种可并行检测细胞核转录本和表观遗传特征的高通量测序平台，为综合分析冻存人体组织样本中基因表达和调节提供了途径。研究人员用此方法检测了超过60,000个来自成人大脑皮层和小脑的单细胞，发现了35种不同的神经元和神经胶质细胞亚型。值得一提的是，去年Science发表的第一代图谱因为技术限制忽略了各种类型的神经胶质细胞。现在，这些胶质细胞在新一代图谱里得到了完整的描述。

此外，他们还将常见的人脑遗传疾病相关的遗传位点定位到特定的细胞类型，揭示了大脑中哪些细胞类型更易受脑部疾病遗传因子的影响。例如，他们发现神经胶质细胞的两种亚型小胶质细胞和少突胶质细胞分别是阿尔茨海默病遗传因子的第一和第二突破口。

张鹍教授表示，关于脑部疾病的发病根源有多种理论，我们的发现有助于确定大脑中哪种类型的细胞最容易受到遗传风险因子的攻击。我们的最终目标是绘制一个完整的人脑细胞图谱。目前，研究小组正计划进一步扩大研究范围来绘制大脑其他区域的细胞图谱。

随着前不久前“人类细胞图谱”计划的开展，单细胞测序的研究热情必然持续高涨。这种方法无疑为研究人类大脑的复杂机理、构建完整大脑细胞图谱提供了基础。我们可以相信，未来这种综合的多组学方法必将在复杂器官和组织的单细胞研究中发挥愈发强大的作用。