皮层负责我们更高的认知能力，是大脑中最复杂的结构。这是因为它包含大约160亿个神经元和610亿个非神经元细胞，构成100多个不同的解剖或功能区域。人类皮层在神经元数量和表面积至少是小鼠1000倍以上。虽然皮质发育的一般原则和皮层的基本结构在哺乳动物中是保守的，但以前的研究表明人类皮层的细胞组成存在差异。
2019年8月22日美国艾伦脑科学研究所Ed S. Lein研究团队在nature上发表Conserved cell types with divergent features in human versus mouse
cortex的文章，研究人员在对比人类与小鼠的转录组学数据发现，人类和小鼠之间存在非常保守的细胞结构。尽管存在这种保守性，研究人员还发现人和小鼠细胞类型之间存在广泛差异，包括比例显着改变，层状分布，基因表达和形态学等之间的差异。这项研究表明研究人脑会更利于研究，加快揭示大脑奥秘的步伐。但是矛盾的是，人类脑组织样本获取很艰难。
研究人员收集死亡后人脑中颞回组织（4个样本）和4名癫痫患者外科手术中切除下来的中颞回组织，提取共15928个细胞核，其中兴奋性神经元细胞核10708个，抑制性神经元细胞核4297个，其余为非神经元的细胞核。通过高通量的单核RNA测序方法对这些细胞核进行了转录组学分析（对某些样本而言，分离单细胞的过程很漫长，会影响基因表达谱，也不能准确反映细胞类型的真实比例。单核RNA测序使用分离的细胞核，而不是整个细胞。细胞核可快速轻松地从冷冻组织中分离。值得一提的是，所获得的转录组与来自全细胞的转录组很相似）。
研究人员根据转录组学特点定义了75不同的细胞类型：45种抑制性神经元，24种兴奋性神经元，6种非神经元类型。这些细胞类型之间的等级关系大致反映了它们的发展起源。兴奋性类型和许多中间神经元类型在空间位置分布上受到限制，在非神经元类型中除了一种星形胶质细胞类型以外，其他非神经元核可分布在皮层所有层中。总的来说，神经元分为两大类：皮质板来源的兴奋性神经元和神经节隆来源的抑制神经元。其次，非神经元类型基于自身许多基因的差异表达形成单独的分支。文章中转录组学的结果与之前人类皮质snRNA-seq研究的广泛对应，但同时确定了许多其他未被发现的神经元类型。
每种兴奋性类型选择性地表达标记基因，同时也有许多标记物先前未被鉴定，这些标记基因对细胞功能很重要，比如碱性螺旋-环-螺旋转录因子TWIST2，COL22A1和信号素SEMA3E。值得注意的是，37个最具特异性的标记基因中有16个是未注释的或非编码RNA（ncRNA）。出乎意料的是，大多数兴奋性神经元类型并不局限于单层解剖结构上。比如在L2-L3（皮层第2层和第3层）中富集了三种类型，在L3-L6中富集了10种表达RORB的类型，在L5-L6中富集了4种表达THEMIS和7种表达FEZF2的类型。这种差异性说明仅仅以皮层的层结构来区别神经元类型远远是不够的。此外，荧光原位杂交（FISH）数据证实了L2和L3神经元中存在标记基因LAMP5和COL5A2的富集，并且L2-L3兴奋性神经元LINC00507 FREM3根据细胞群体的特点形成多个亚型。因此，在L2-L3兴奋性神经元的亚型之间存在转录组多样性，这可能与这些细胞的解剖学和功能异质性相对应。
抑制性神经元主要形成两个主要分支ADARB2和LHX6，这与小鼠皮质相似，其中ADARB2分支与尾部神经节隆起发育起源有关，LHX6分支与内侧神经节隆起（MGE）的发育起源相关。LHX6分支包括PVALB和SST亚类,而ADARB2分支包含LAMP5 PAX6和VIP子类。与小鼠分布一致，ADARB2分支在L1-L3比L4-L6表现出更多的多样性，而LHX6分支则正好相反。具体说来，LAMP5 PAX6亚类包含六种类型，主要是富集在L1-L2。SST亚类存在11种只表达在特定皮层结构的类型，比如特定存在于L5-L6中Inh L5-L6 SST TH和Inh L3-L6 SST NPY。
非神经细胞的主要存在两种具有不同层状分布的星形胶质细胞类型：特定表达在L1-L2中的星形胶质细胞L1-L2 FGFR3 GFAP和可表达在所有层中的星形胶质细胞 L1-L6 FGFR3 SLC14A1。RNA测序结构表明 L1-L2 FGFR3 GFAP具有比Astro L1-L6 FGFR3
SLC14A1更高的GFAP和AQP4表达。
研究人员将人类中颞回组织中的转录组细胞类型与两个不同的小鼠皮质区域的转录组学结果进行匹配：初级视觉皮层（V1）和前侧运动皮层（ALM）。人类和小鼠皮层组织存在一些共同表达的基因，此外两者存在类似的32种神经元类型和5种非神经元类型，其中一对一全匹配的有7种神经元类型（Lamp5 Rosehip、Lamp5 Lhx6、Sst Chodl、Chandelier 、Exc L3–5
IT、Exc L5–6 IT1、OPC）。在非神经元细胞类型上：人类少突胶质细胞只有两个能够匹配小鼠成熟的少突胶质细胞类型，而人类少突胶质细胞前体细胞（OPCs）与小鼠可以完全匹配。总的来说，这些相似之处进一步支持人脑和鼠脑存在保守结构。
人脑和鼠脑尽管存在许多同源类型的细胞，但是这些同源类型具有多样的亚型，这就使得它们之间存在更大的差异。小鼠皮层中稀疏表达的Meis2 抑制性神经元、 Cajal–Retzius神经元、L5锥体束（PT）初级视皮层Chrna6阳性细胞，几乎在人类中未检测到。小鼠Sst Chodl类型（人脑的Inh L3-L6 SST NPY）在总体上具有保守表达，但是存在18％的基因具有高度不同的表达。少突胶质细胞前体细胞存在14％的基因具有高度不同的表达。5-羟色胺受体在人脑和鼠脑之间表现出高度不同的表达：4种G蛋白偶联受体和两种离子型受体亚基（HTR3A和HTR3B）都位于差异最大的基因前10％中。差异最大的基因家族包括神经递质受体，离子通道，细胞外基质和细胞粘附分子。
本文发现了在物种之间的同源细胞类型之间也存在基因表达的差异。这些差异很可能是功能上的相关的。值得注意的是，血清素受体是差异最大的基因家族中第二大家族，对于许多涉及5-羟色胺信号的神经精神疾病（比如抑郁症），在使用小鼠模型应当需要谨慎解释实验结果。人类和小鼠之间这种差异表明需要与人类密切相关的非人类灵长类动物进行大脑结构和功能的研究。但是人脑难得，猴脑成本太高，只有鼠脑经济实惠，这道送分的选择题，你怎么选？
参考文献：
Conserved cell types with divergent features in human versus mouse cortex， https://doi.org/10.1038/s41586-019-1506-7更多阅读：