你以為大腦發(fā)育只靠神經(jīng)元？其實，免疫分子也在悄悄“搭橋鋪路”！它們像施工隊一樣，幫神經(jīng)回路精準(zhǔn)連線。一旦出錯，可能埋下自閉癥、多動癥等疾病的種子?？芍两瘢覀冞€沒有一張完整的“施工地圖”來看清這場精密工程。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

基于此，2026年1月6日，美國波士頓兒童醫(yī)院Brian T. Kalish研究團隊在nature neuroscience雜志發(fā)表了“Spatial transcriptomics of the developing mouse brain immune landscape reveals effects of maternal immune activation and microbiome depletion”， 這項研究利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，繪制了小鼠胎兒大腦發(fā)育過程中免疫分子的“位置地圖”，發(fā)現(xiàn)母體感染（免疫激活）或腸道菌群缺失會擾亂這一免疫圖譜且影響具有性別特異性，為理解環(huán)境因素如何通過免疫途徑干擾腦發(fā)育提供了新證據(jù)。

本研究利用高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)繪制了小鼠胎兒大腦在妊娠中晚期免疫相關(guān)分子的表達(dá)“地圖”。作者發(fā)現(xiàn)，發(fā)育中的大腦不僅存在明顯的性別差異，其免疫分子的空間分布還受到母體環(huán)境的精細(xì)調(diào)控。當(dāng)母體經(jīng)歷免疫激活（如感染）或腸道菌群被清除時，胎兒大腦中的CXCL12/CXCR7趨化因子信號發(fā)生紊亂，這可能干擾神經(jīng)前體細(xì)胞的正常發(fā)育。研究結(jié)果表明，媽媽的健康狀況和微生物環(huán)境會通過免疫通路影響胎兒大腦發(fā)育且男孩和女孩的易感性不同，為理解神經(jīng)發(fā)育障礙的早期起源提供了新視角。

圖一 小鼠胚胎腦在E14和E18階段的MERFISH分析

作者對3只雄性小鼠胚胎在E14和E18兩個發(fā)育時間點的腦組織進行了高通量空間轉(zhuǎn)錄組分析（MERFISH），使用一個包含500個免疫相關(guān)基因（主要是細(xì)胞因子、趨化因子及其受體）的定制探針面板。通過深度學(xué)習(xí)工具Cellpose 2.0進行細(xì)胞分割，最終獲得E14約31萬個細(xì)胞、E18約66萬個細(xì)胞的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集。

結(jié)合解剖標(biāo)志和特征基因表達(dá)，研究團隊將細(xì)胞精準(zhǔn)定位到不同腦區(qū)并與已發(fā)表的單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)整合，識別出具有空間特異性的細(xì)胞類型。神經(jīng)前體細(xì)胞被分為兩大類：背側(cè)來源的谷氨酸能前體和腹側(cè)來源的GABA能前體。前者進一步細(xì)分為放射狀膠質(zhì)細(xì)胞、中間前體和神經(jīng)母細(xì)胞；后者主要包括表達(dá)Nkx2-1/Lhx6的內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起前體。

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成熟神經(jīng)元也按類型和位置區(qū)分：谷氨酸能神經(jīng)元包括深層、上層及未成熟的興奮性神經(jīng)元（后者富集Sema6d/Satb2，位于中間區(qū)）；GABA能神經(jīng)元包括紋狀體抑制性神經(jīng)元、Cajal-Retzius細(xì)胞和中間神經(jīng)元（表達(dá)Gad1/Gad2/Slc32a1）。

此外，還鑒定出四類非神經(jīng)元細(xì)胞：小膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和少突膠質(zhì)前體細(xì)胞。

圖二 MERFISH揭示了發(fā)育中小鼠大腦的細(xì)胞圖譜

作者進一步分析了從胚胎第14天（E14）到第18天（E18）小鼠大腦中各類細(xì)胞在空間分布和比例上的動態(tài)變化。結(jié)果符合神經(jīng)發(fā)育規(guī)律：神經(jīng)前體細(xì)胞逐漸減少，GABA能神經(jīng)元開始遷移，皮層中谷氨酸能神經(jīng)元逐步形成分層結(jié)構(gòu)。

按腦區(qū)微環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)，E14以未成熟細(xì)胞為主（如放射狀膠質(zhì)細(xì)胞、中間前體等），而到E18則轉(zhuǎn)向更多成熟的興奮性和抑制性神經(jīng)元，以及啟動膠質(zhì)生成的前體細(xì)胞。對于比例變化不大的細(xì)胞類型，作者通過差異表達(dá)分析揭示其內(nèi)在轉(zhuǎn)錄變化：中間前體細(xì)胞在E18上調(diào)了趨化因子受體 Cxcr4、大麻素受體 Cnr1 以及促神經(jīng)發(fā)生基因 Gli1 和 Egfr，同時下調(diào)了Wnt/Notch通路相關(guān)基因（如 Fzd8、Ccnd1）；神經(jīng)母細(xì)胞在E18則表現(xiàn)出 Cnr1 和炎癥因子 Il17a 上調(diào)，而趨化因子 Cxcl12 下調(diào)。

跨時間點比較還發(fā)現(xiàn)，血管細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)前體、未成熟抑制性神經(jīng)元和腹側(cè)放射狀前體的基因表達(dá)變化最為顯著。

通過高維共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（hdWGCNA），作者識別出不同細(xì)胞類型的基因模塊保守性：與中間神經(jīng)元和中間前體相關(guān)的模塊在E14和E18高度保守；而兩個小膠質(zhì)細(xì)胞模塊和一個血管模塊則表現(xiàn)出明顯的時間特異性。

進一步功能分析顯示：小膠質(zhì)模塊1富集于免疫反應(yīng)和TNF信號，主要分布在腦室區(qū)；小膠質(zhì)模塊2則關(guān)聯(lián)Wnt/MAPK通路和神經(jīng)發(fā)育，集中在隔區(qū)和神經(jīng)節(jié)隆起。

圖三 母體免疫激活和母體微生物組耗竭的細(xì)胞與行為表型分析

作者利用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，探究了母體免疫激活（MIA）和母體微生物組耗竭（MMD）如何影響胎兒大腦發(fā)育。MIA通過在孕12.5天注射poly(I:C)模擬病毒感染，MMD則通過長期抗生素處理清除母鼠腸道菌群并經(jīng)糞便PCR和測序確認(rèn)菌群顯著減少，且不影響母體體重。

研究收集了E14胚胎腦組織，發(fā)現(xiàn)：MIA和MMD雄性胚胎的皮層中CTIP2陽性深層神經(jīng)元層增厚，但腦室區(qū)/室下區(qū)的Ki67陽性增殖細(xì)胞明顯減少，提示神經(jīng)前體增殖受抑、遷移異常；而雌性胚胎未見明顯變化。

行為測試進一步顯示：成年雄性子代（而非雌性）在MIA或MMD暴露后表現(xiàn)出社交缺陷和曠場中心探索減少（反映焦慮樣行為），但總活動量和運動速度正常。

綜上，母體免疫紊亂或菌群缺失會特異性干擾雄性胎兒的神經(jīng)發(fā)育，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)異常和成年后行為問題，凸顯了性別差異在環(huán)境-腦發(fā)育交互中的關(guān)鍵作用。

圖四 表觀遺傳差異揭示性別偏向的神經(jīng)發(fā)育脆弱性

為探究為何雄性和雌性胚胎對母體免疫或菌群擾動的反應(yīng)不同，作者在胚胎第12天（E12）對雄性和雌性小鼠腦組織進行了單核染色質(zhì)可及性測序（snATAC-seq），分析了超過8萬個細(xì)胞核。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雄性和雌性在多種腦細(xì)胞類型中存在基礎(chǔ)性的表觀遺傳差異，這些差異可能使雄性大腦對環(huán)境干擾更敏感：

雄性細(xì)胞中，多個干擾素相關(guān)基因（如 Ifngr1、Ifnar1、Ifng）的調(diào)控區(qū)域更開放，提示其先天免疫通路本底活性更高；雄性前體細(xì)胞中，Il9r（促炎因子受體）調(diào)控區(qū)更開放，而 Il6ra（IL-6受體）則更封閉；特別值得注意的是，雄性中間前體細(xì)胞中 Ackr3 基因調(diào)控區(qū)顯著更開放，該基因參與趨化因子信號，可能影響神經(jīng)遷移；相比之下，雌性前體細(xì)胞和神經(jīng)元中與神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的基因（如 Cux2、Foxp1、Fezf2、Sox2、Ascl1）調(diào)控區(qū)域更易接近，暗示其神經(jīng)發(fā)生程序更具韌性。

此外，在中間前體等細(xì)胞中，性別差異的開放區(qū)域富集于代謝、突觸囊泡循環(huán)和神經(jīng)突生長等通路。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序分析還發(fā)現(xiàn)，HES1、YY2、NRF1等調(diào)控神經(jīng)分化與遷移的關(guān)鍵因子，可能介導(dǎo)這些性別偏向的表觀遺傳差異。

簡言之，雄性胚胎大腦在發(fā)育早期就存在免疫相關(guān)通路“高敏”、神經(jīng)發(fā)育調(diào)控“低穩(wěn)”的表觀特征，這可能是其更易受母體環(huán)境干擾的內(nèi)在原因。

總結(jié)

該研究利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)繪制了發(fā)育中小鼠腦內(nèi)免疫微環(huán)境的動態(tài)圖譜，首次揭示母體免疫激活（MIA）和腸道菌群缺失如何區(qū)域性地擾動腦內(nèi)免疫細(xì)胞分布與狀態(tài)，為理解環(huán)境因素通過“腸-腦-免疫”軸影響神經(jīng)發(fā)育提供了關(guān)鍵機制依據(jù)。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02162-3

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