帕金森病通过攻击中脑特定区域的神经元，剥夺了患者的行动自如能力。从事神经科学研究或报道的人员都曾目睹在培养皿中培育这些多巴胺能细胞的希望与挫折：实验结果波动大、细胞身份模糊、非目标细胞类型混入。如今，一条更清晰的路径已然显现。
来自杜克-国大医学院（Duke-NUS Medical School）的科学家团队构建了人类大脑发育的双层级单细胞图谱，并开发出评估实验室培养细胞与真实中脑匹配度的工具。该方法为细胞模型提供了实用的评估标准，也为未来开发更优疗法指明方向。
双图谱 同目标
研究团队首先创建了覆盖胎儿全脑的综合图谱，随后聚焦中脑区域绘制高精度地图。他们整合了两个大型人类数据集，涵盖受孕后3至14周的发育阶段，对来自39名捐赠者的679,666个细胞进行标准化标记分类。研究人员精细定义了神经元、神经祖细胞及非神经细胞类别，其中神经元按神经递质分为多巴胺能、谷氨酸能、GABA能、5-羟色胺能和胆碱能等类型，并结合其他标志物进行区分。
为验证细胞身份能否准确反映其来源区域，研究者基于区域标签训练了k近邻分类器。中脑多巴胺能神经元的区域特异性评分达0.92，而前脑谷氨酸能神经元则达到1.0。部分细胞群区域关联较弱，如前脑5-羟色胺能神经元评分仅为0.08，这警示我们不可仅凭细胞类型推断其位置。团队还发现21个中脑多巴胺能身份标志基因，包括EN1和PITX3，以及ELOVL3和MYRIP等较少见的基因。
胎儿中脑的精细解析
中脑子图谱整合了3至14周的102,335个细胞数据，并新增独立腹侧中脑数据集以扩展覆盖范围。研究将6种祖细胞亚型映射至下游谱系，包括多巴胺能、红核、腹背侧GABA能、谷氨酸能细胞，以及混合多巴胺能或丘脑底核命运的细胞。
腹侧细胞轨迹分析揭示出四条分支终点：多巴胺能神经元、红核神经元、腹侧GABA能神经元，以及混合多巴胺能或丘脑底核谱系。经典底板基因LMX1A和SOX6标记多巴胺能前体细胞，而TH和KCNJ6则标识成熟中的多巴胺能细胞。
一个关键小群体尤为突出：具有丘脑底核特征的类多巴胺能细胞簇（标记为hDA.STN）在培养中易被误认为目标细胞类型。PITX2是这类丘脑底核相关细胞的标志物，团队证实hDA细胞富集轴突生长和多巴胺代谢功能，而hDA.STN细胞则倾向蛋白质翻译与折叠。信号通路也存在差异，EPHA和Netrin通路为hDA细胞特有。对于中脑模型研究者而言，这些差异直接影响细胞纯度和功能。
BrainSTEM：双步映射与评估
完成双图谱构建后，团队推出BrainSTEM分析框架：首先将实验室数据集投影至全脑范围，再聚焦中脑样细胞进行精细分类。该流程避免了将偏向于前脑或后脑的培养物错误标记为"中脑"的常见错误。
研究者整合了12项已发表数据集及1项内部类器官方案的50种条件，涵盖超140万个细胞。他们对比了2D与3D培养体系，追踪时间点变化，并构建合成混合样本进行方法压力测试。
实际数据显示，首轮映射表明：标注为"中脑"的样本中，非目标前脑和后脑细胞常占半数以上。内部类器官与某2D方案产出真实中脑细胞比例最高。时间序列分析显示，中脑样细胞数量通常在第20至40天达到峰值。类器官在最佳时间点的中脑身份比例约为25%至35%，某2D方案有时更高，但多数标注中脑的细胞实为祖细胞而非神经元。
多巴胺能纯度通过基因特征评分追踪，高分与更多多巴胺能神经元呈正相关（斯皮尔曼相关系数超0.7）。部分方案在第45天出现5-羟色胺能特征上升，表明过度尾化使细胞偏向后脑命运。
全脑过滤机制
经全脑过滤后，七个数据集含有足量中脑样细胞进入第二层级分析。子图谱在此解析精细的祖细胞与神经元身份，显示各方案中多巴胺能、腹侧GABA能和谷氨酸能谱系的混合分布。
为捕捉腹侧身份特征，团队训练随机森林模型生成细胞级腹侧评分。多巴胺能细胞富集的培养物通常腹侧评分更高，符合底板发育轨迹。研究者将各方案细胞混合物与特定孕周的体内中脑进行比对：多数数据集匹配孕6-8周，而培养至120天的类器官则与孕10-11周相关，暗示长期培养使细胞向更晚胎儿阶段演进。
关键发现是：单步直接映射会因纳入前脑样细胞而虚增高多巴胺能计数。BrainSTEM双步法有效消除假阳性，使检测结果更可靠。
帕金森病治疗启示
对于帕金森病研究者而言，核心信息明确：细胞仅呈现多巴胺能特征并不足够，必须同时具备中脑身份。BrainSTEM揭示了培养物的常见偏移现象，并指明可调节的关键参数。在调研的多种方案中，含FGF8且降低CHIR剂量的条件往往提升多巴胺能输出。
图谱同时警示了易被忽略的稀有丘脑底核相关细胞，其存在会扭曲实验结果。研究亦存在局限：参考数据覆盖孕早期，孕17周后前脑阶段的预测准确性下降；成熟神经胶质细胞稀少因其发育较晚。将图谱延伸至孕中期及以后，将能捕获与成人疾病相关的成熟过程及细胞互作。
脑图谱国际计划的重要组成
此项工作隶属于美国国立卫生研究院BRAIN计划细胞图谱网络，该国际协作致力于构建完整人类脑细胞图谱。近期《自然》及相关期刊发表的系列论文，揭示了跨物种细胞类型的发生、特化及基因表达调控机制。
艾伦研究所（Allen Institute）的Hongkui Zeng指出："人脑拥有数千种细胞类型，其细胞特性与功能展现出非凡多样性，这些不同细胞协同工作产生各种行为、情绪与认知。"加州大学洛杉矶分校神经科学家Aparna Bhaduri补充道："发育中的大脑结构极为神秘——难以获取样本、包含海量独特细胞类型且快速变化。"
这些研究绘制了新皮层和下丘脑等区域的细胞发育图谱，甚至发现某些脑肿瘤可能劫持胚胎发育程序。团队鉴定出新的人类细胞类型，并强调皮层分化过程更缓慢持久，反映了人类漫长的发育周期。该工作旨在指导基因与细胞疗法研发，深化对自闭症、注意力缺陷多动障碍、精神分裂症等疾病的认知。
Zeng表示："首先，通过比较人与动物脑发育，我们将更深入理解人类特化机制及独特智力的来源；其次，掌握正常脑发育规律，将助力我们精准解析疾病脑的异常变化。"
BrainSTEM团队核心观点
杜克-国大医学院及合作者强调了临床应用价值。Hilary Toh博士表示："我们的数据驱动蓝图助力科学家培育高产率、真实反映人类生物学特性的中脑多巴胺能神经元。此类高质量移植细胞对提升细胞疗法疗效、减少副作用至关重要，将为帕金森病患者开辟替代治疗新途径。"
高级作者John Ouyang博士指出："通过单细胞分辨率脑图谱，BrainSTEM赋予我们精确识别细微非目标细胞群的能力。"
Sun Alfred助理教授表示："BrainSTEM标志着脑建模的重大进步。其严谨的数据驱动方法将加速帕金森病可靠细胞疗法的研发进程。"Patrick Tan教授称该研究重新定义了行业基准，并强调图谱与工具包的开放获取原则。
研究成果已在线发表于《科学进展》(Science Advances)期刊。
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