墨西哥蠑螈（Ambystoma mexicanum）是一種水生生物，以其脊髓、心臟和四肢的再生能力而聞名，是研究大腦組織和四肢再生的重要動物模型。目前為止，蠑螈大腦中的細胞類型多樣性及其與其他脊椎動物大腦之間的關系主要是通過組織學來研究的。在前期研究中，發現蠑螈的大腦可以在胚胎后的生命進程中繼續生長，由室管膜神經膠質細胞增殖產生新的神經元；即使在腦受傷的情況下，相關腦組織依然可以生長并得以補充。然而，目前仍不清楚相關腦細胞如何再生大腦，以及神經元連接是否得到適當恢復。近日，蘇黎世聯邦理工學院Treutlein實驗室和維也納分子病理學研究所Tanaka實驗室研究細胞水平再生的研究人員，在Science上發表題為“Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration”相關研究。通過繪制蠑螈端腦在動態平衡和腦再生期間細胞基因組圖譜，從分子水平表征了蠑螈端腦細胞類型、神經發生和進化保守程度，包括將一個大腦區域連接到另一個大腦區域的連接部分，揭示了蠑螈腦再生方式和跨物種腦區域的細胞類型多樣性及進化關系。

端腦是大腦最大的部分，包含一個稱為新皮質的區域，在動物行為和認知中起著關鍵作用。然而，腦細胞類型和進化保守性在很大程度上是未知的。因此，研究人員決定將目光鎖定在蠑螈的端腦區域。通過比較動物之間的大腦一直是分析腦結構進化起源和多樣性的一種手段。綜合單細胞RNA測序(scRNA-seq)和單核RNA測序(snRNA-seq)提高了脊椎動物腦的細胞識別和發育的分辨率。在本研究中，研究人員通過端腦的單細胞和單核基因組圖譜揭示了包括爬行動物、鳥類和哺乳動物在內的幾種羊膜動物（Amniote）之間細胞類型和腦區域的多樣性和進化關系。這些方法還揭示了腦發育和神經發生的分子軌跡。并進一步從分子水平表征了蠑螈端腦細胞類型、神經發生和進化保守。除此，研究人員將單核基因組圖譜應用于蠑螈端腦穩定狀態和再生過程中，以研究其細胞類型多樣性和動態平衡過程中神經發生的分子動力學，并比較了分子圖譜以了解再生神經發生的損傷特異性特征。

Axolotl telencephalon organization, conservation, and neurogenesis

研究結果顯示，通過使用單核RNA測序(SnRNA-seq)和轉座酶可及染色質高通量測序的單核分析(SnATAC-seq)以及空間轉錄組學對蠑螈端腦的細胞多樣性進行探究；確定了腦區域分布的神經元、室管膜膠質細胞和神經母細胞群體，并通過比較分析確定了它們與羊膜細胞的進化保守性。研究人員發現蠑螈端腦含有谷氨酸能神經元，在轉錄上與海龜和小鼠的海馬神經元、背側皮質和嗅皮層的神經元相似。嗅皮層樣神經元也顯示來自嗅球保守的神經元輸入的投射。蠑螈氨基丁酸釋放(GABA)抑制神經元表現出神經節隆起不同亞區的特征，與甲魚和小鼠GABA能抑制神經元相似。同時，研究人員使用軌跡推理構建了動態平衡神經發生的分化軌跡，發現室管膜膠質細胞主要通過不同的中間神經母細胞類型前進，并使用特定的基因調控網絡形成不同的谷氨酸能神經元類型。進一步地，通過跟蹤端腦損傷后的循環細胞，發現了損傷特異性的室管膜神經膠質細胞轉錄狀態；其特征是在再生神經發生開始時，傷口愈合和細胞遷移基因上調。損傷后的神經發生類似于穩態神經發生，從而導致丟失的神經元和來自嗅球的輸入投射的重建。綜上所述，與哺乳動物端腦區相關的細胞類型和基因表達模式在兩棲動物的大腦中也很明顯。在胚胎后軸突中，端腦的神經發生是通過不同的神經母細胞前體細胞進行的，這些神經母細胞前體與特定的神經元類型相關，依賴于共享的和特定的調控程序。在再生神經發生中同樣進行了類似的程序，表明腦損傷在誘導損傷特異性室管膜神經膠質細胞狀態后，通過現有的途徑激活神經的發生。再生的神經元重新建立了它們以前與遙遠的大腦區域的連接，這意味著潛在的功能恢復。該研究對蠑螈大腦如何再生的相關探索可能會為其他生物的大腦再生研究提供支持。相信對于蠑螈腦再生機制及細胞類型的相關研究，為未來對于人腦損傷及相關修復藥物的開發提供很高的參考價值。

參考資料：

Lust K, et al. Single-cell analyses of axolotl telencephalon organization, neurogenesis, and regeneration. Science. 2022 Sep 2;377(6610): eabp 9262. doi: 10.1126/science. Abp 9262.

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