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編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

意識(shí)究竟是如何產(chǎn)生的？

這個(gè)問(wèn)題困擾了科學(xué)家和哲學(xué)家數(shù)個(gè)世紀(jì)。DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)和中心法則的提出者Francis Crick認(rèn)為，“屏狀核是意識(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)域”。然而，目前科學(xué)界對(duì)于屏狀核卻知之甚少，甚至不能準(zhǔn)確定義其邊界。

2025 年 4 月 3 日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、華大生命科學(xué)研究院、法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、騰訊生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)共同發(fā)布了全球首個(gè)非人靈長(zhǎng)類(lèi)屏狀核多模態(tài)圖譜，結(jié)合單細(xì)胞組、時(shí)空組和聯(lián)接組等多組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了獼猴與嚙齒類(lèi)動(dòng)物的屏狀核結(jié)構(gòu)、細(xì)胞類(lèi)型和分布存在顯著性差異，首次證實(shí)了屏狀核不同功能區(qū)內(nèi)富含特異的神經(jīng)元，為理解人類(lèi)意識(shí)產(chǎn)生的進(jìn)化機(jī)制提供了新的研究思路，也為語(yǔ)言、精神類(lèi)疾病的研究和治療提供了潛在的靶點(diǎn)。相關(guān)研究以：Single-cell spatial transcriptome atlas and whole-brain connectivity of the macaque claustrum 為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell。

構(gòu)建首個(gè)獼猴屏狀核多模態(tài)圖譜

屏狀核是一個(gè)薄如紙片的不規(guī)則的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，隱藏在大腦外部皺褶的皮質(zhì)下方的一個(gè)神秘區(qū)域。它猶如一個(gè)巨大的神經(jīng)中央車(chē)站，大腦皮層幾乎每塊區(qū)域與其都有纖維連接。

本研究中，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)合華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，首次繪制了獼猴屏狀核單細(xì)胞分辨率的時(shí)空?qǐng)D譜，這也是全球首個(gè)非人靈長(zhǎng)類(lèi)屏狀核時(shí)空?qǐng)D譜，揭秘了屏狀核中的每個(gè)腦細(xì)胞的基因信息，并為其標(biāo)注了“住址”。

同時(shí)，通過(guò)分析屏狀核與獼猴全腦大量腦區(qū)的雙向連接，繪制指迄今最完善的非人靈長(zhǎng)類(lèi)屏狀核全腦介觀聯(lián)接圖譜，揭示了屏狀核整合全腦信息的物理連接基礎(chǔ)。多維的數(shù)據(jù)資源的結(jié)合，為科研人員深入解析屏狀核這一關(guān)鍵腦區(qū)的結(jié)構(gòu)和功能奠定了基礎(chǔ)。目前該圖譜數(shù)據(jù)已完整公開(kāi)（https://macaque.digital-brain.cn/claustrum）。

獼猴屏狀核單細(xì)胞時(shí)空轉(zhuǎn)錄組及全腦連接組圖譜網(wǎng)站

揭示靈長(zhǎng)類(lèi)特有神經(jīng)元

通過(guò)分析獼猴屏狀核 22.7 萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出 48 種細(xì)胞亞型。而通過(guò)將屏狀核與周?chē)X區(qū)的細(xì)胞類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)超過(guò) 80% 的屏狀核神經(jīng)元與大腦皮層（尤其島葉皮層）深層神經(jīng)元高度相似，這提示屏狀核的主要功能可能與長(zhǎng)程投射調(diào)控大腦其它腦區(qū)相關(guān)。

而通過(guò)對(duì)比獼猴、狨猴和小鼠的數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)獼猴屏狀核中約 40% 的細(xì)胞類(lèi)型為靈長(zhǎng)類(lèi)特有。例如，其中一種興奮性神經(jīng)元 GNB4 在獼猴屏狀核中高達(dá) 64.7%，且呈區(qū)域特異性分布，而在小鼠中僅占 14.7%，且呈現(xiàn)均勻分布特征。這表明，在進(jìn)化過(guò)程中，獼猴屏狀核演化出靈長(zhǎng)類(lèi)特異的細(xì)胞類(lèi)型，分布在屏狀核內(nèi)特定區(qū)域，參與特定的大腦功能。

多組學(xué)結(jié)合解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)時(shí)空組學(xué)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)繪制出了獼猴屏狀核的精確邊界，并發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的RBC區(qū)域?qū)⑵翣詈伺c周?chē)X區(qū)隔開(kāi)。獼猴屏狀核這些結(jié)構(gòu)與嚙齒類(lèi)動(dòng)物的屏狀核明顯不同，這為理解意識(shí)的進(jìn)化機(jī)制提供了可能的線索。

Stereo-seq精確繪制獼猴屏狀核邊界，揭示與鄰近區(qū)域的分子差異

而通過(guò)獼猴屏狀核全腦介觀聯(lián)接圖譜，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)屏狀核內(nèi)部不同部位神經(jīng)元的皮層投射各有偏好，可據(jù)此將屏狀核分為前額葉、視覺(jué)、海馬、運(yùn)動(dòng)四個(gè)功能區(qū)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，屏狀核與除小腦外所有皮層和皮層下腦區(qū)相連，是大腦中的連接中樞。同時(shí)，獼猴屏狀核內(nèi)部存在廣泛的前后軸聯(lián)接，為屏狀核單個(gè)神經(jīng)元整合多模態(tài)信息提供支持，而這，被認(rèn)為是意識(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵。

此外，通過(guò)多種技術(shù)相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)還首次證實(shí)了不同功能區(qū)內(nèi)富含的神經(jīng)元亞型不同。例如海馬投射區(qū)高表達(dá) GNB4-7 型神經(jīng)元，而運(yùn)動(dòng)區(qū)富集 GNB4-4 神經(jīng)元。

多組學(xué)融合已成為腦科學(xué)研究的重要趨勢(shì)。該研究通過(guò)整合單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組、時(shí)空組和聯(lián)接組學(xué)數(shù)據(jù)，首次構(gòu)建了非人靈長(zhǎng)類(lèi)屏狀核的多模態(tài)圖譜，科研人員可以結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)大腦“信息樞紐”從分子、空間到神經(jīng)連接的系統(tǒng)解析。該圖譜不僅填補(bǔ)了靈長(zhǎng)類(lèi)腦區(qū)研究的空白，也為多組學(xué)融合解析復(fù)雜腦功能提供了新模式，為理解意識(shí)本質(zhì)、探索腦疾病機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

獼猴屏狀核細(xì)胞空間分布與全腦介觀聯(lián)接圖譜

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心和上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心沈志明、法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所Henry Kennedy、臨港實(shí)驗(yàn)室魏武、華大生命科學(xué)研究院劉龍奇、騰訊生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室姚建華為該論文共同通訊作者。華大生命科學(xué)研究院雷瑩、中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康所劉羽暄、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心和臨港實(shí)驗(yàn)室王明禮、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心袁妮妮、法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所侯玉潔、華大生命科學(xué)研究院丁靈君、朱志勇、騰訊生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室吳子涵、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心李超為該論文共同第一作者。該研究獲得國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃培育項(xiàng)目、科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”、上海市級(jí)重大專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。