文献分享（visium HD）--空间分子图谱揭示人类伏隔核中异质性细胞类型的解剖学组织

作者，Evil Genius

好几个粉丝问我这个单细胞空间交响乐的号粉丝怎么这么少？

这个号最开始就是为了自己的学习记录，大家应该知道我跟周运来之前是同事，我也是跟他学的，到现在也可以说我这个账号就是个纯科研账号，没有任何的商业广告。

我自己在做项目的过程中，需要进行大量的文章阅读，构建分析思路，有一些我认为很有帮助的内容发到了公众号，当然也设置了付费，这么长时间了，每个月收益大部分200多，够每天喝杯饮料的，肯为知识付费的人少之又少，当然我也不是很在意这些，毕竟自己做项目要用。

付费 + 我自己也不运营，不接任何商业广告，纯粹的科研内容，必然粉丝不多，从一开始就知道这个结果，这个号的运作纯粹就是精力可以的自己因为热爱而坚持，只不过可能截图出来看到粉丝量3000多让大家见笑了。

还有粉丝问300万字以后就不更新了么？我估计坚持3年几乎日更应该是做不到了，会不定时更，再有热情也会被生活压倒，不得不低头，不过我真心建议大家好好学一学，学习的成本是最低的，举一个例子，单细胞空间联合分析的方法cell2location，自己学习几乎没有成本，顶多付个100块钱看看有经验的生信脚本如何写的，参数怎么配置的，如果自己不学，让公司做，2000块钱/样本。

今日我们分享visium HD的文章，参考文献如下

大家一定要注意发文章的趋势，现在发文章不能仅仅发现问题，还要为解决这个问题提供一定的思路，而分子对接/分子动力学是最常见的解决方案。

知识积累

伏隔核（NAc）是中脑边缘多巴胺系统的关键组成部分，与多种神经精神疾病密切相关。

伏隔核（NAc）的功能与疾病关联

核心功能：NAc在动机、奖赏处理和目标导向行为中发挥中枢作用。

疾病关联：NAc功能障碍与精神分裂症、抑郁症、焦虑症、物质使用障碍等多种神经精神疾病相关。

解剖定位：NAc是中脑边缘奖赏通路的关键节点，整合谷氨酸能输入（来自皮层、丘脑、边缘结构）和多巴胺能输入（来自腹侧被盖区VTA）。

NAc的主要细胞类型

主细胞：GABA能中型多棘神经元（MSN）是NAc的主要输出神经元。

两大亚型：

DRD1-MSN → 构成直接通路

DRD2-MSN → 构成间接通路

两通路对皮层区域产生相反的调控效应。

调节性神经元：其他GABA能或神经肽表达群体（如乙酰胆碱能、小清蛋白能、生长抑素能神经元）也参与调节MSN功能。

定义与特征：人类NAc腹内侧边缘存在界面岛；在啮齿类和非人灵长类中，这些岛完全由DRD1-MSN构成，部分亚型表达μ-阿片受体（OPRM1）。

功能意义：D1岛的空间位置与NAc壳部中调控阿片效应和享乐反应的热点区域重叠。

结果1、人类NAc的细胞和空间分子架构

实验设计与数据概况

研究对象为10名无神经精神疾病的成人脑组织捐献者（6男4女）。

采用配对的空间分辨转录组学（SRT）和单核RNA测序（snRNA-seq）技术。

共获取38个空间捕获阵列和20个snRNA-seq样本，保留103,785个高质量细胞核。

样本覆盖NAc的前部、中部和后部位置，以及内外侧和背腹侧跨度。

细胞类型鉴定

共鉴定出20种转录水平上不同的细胞类型，包括13种神经元群体和7种非神经元群体。

NeuN+富集样本中神经元核比例更高，且各细胞类型比例在性别和个体间无明显差异。

GABA能MSN是NAc神经元的主体，GAD1和PPP1R1B在多数神经元群体中高表达。

MSN亚型分类

MSN根据DRD1或DRD2表达分为两大类：DRD1-MSN共4种亚型（A、B、C、D），DRD2-MSN共2种亚型（A、B）。

DRD1_MSN_A和DRD2_MSN_A均表达CALB1（大鼠MSN核心部富集标记物），对应非人灵长类的D1和D2基质群体。

DRD2_MSN_B表达CLMP和TTN，对应非人灵长类的D2纹状体群体。

DRD1_MSN_C高表达RXFP2，对应人类已知的RXFP2+ DRD1-MSN群体，与非人灵长类D1壳部/嗅结节和Calleja岛有部分转录相似性。

DRD1_MSN_B和DRD1_MSN_D表达RXFP1和CPNE4，对应啮齿类Grm8 MSN以及非人灵长类中定位于D1岛的细胞类型，提示该组织模式在物种间具有保守性。

DRD1_MSN_B高表达CRHR2，DRD1_MSN_D的CRHR1表达高于CRHR2。

抑制性中间神经元

鉴定出CHAT+胆碱能神经元（Inh_D），对调控药物诱导的行为适应至关重要。

观察到KIT+小清蛋白神经元（Inh_E）和SST+/CORT+神经元，后者高表达CRHR2。

鉴定出GLP1R+/TAC3+ GABA能神经元（Inh_C）。

新发现一种抑制性神经元群体（Inh_F），表达KCNC2和ANK1，但不表达其他已知的NAc抑制性群体标记基因。

细胞类型与疾病/性状遗传力的关联

每周饮酒量的遗传力显著富集于DRD1_MSN_A和DRD2_MSN_A群体。

抑郁症的遗传力显著富集于Inh_F和Inh_B抑制性神经元群体。

这些结果拓展了既往研究，表明酒精相关性状的遗传力不仅广泛涉及MSN，而是集中在特定的MSN亚型和抑制性神经元群体中。

结果2、在人类NAc中分子定义的SpD的鉴定

空间域（SpD）的鉴定与概况

共保留176,013个高质量捕获点，使用PRECAST方法注释出8个空间域（SpD）：MSN_1、MSN_2、MSN_3、兴奋性域、抑制性域、D1岛、内皮/室管膜域、白质域。

SpD在各样本间具有一致性，但前后轴上的比例存在差异（与啮齿类动物相似）。

D1岛在中间位置的捐献者样本中最为显著。

D1岛的分子特征

高表达CPNE4和RXFP1（在非人灵长类中可选择性地标记DRD1专属性岛）。

高表达OPRM1（μ-阿片受体），低表达OPRK1（κ-阿片受体），与啮齿类和非人灵长类一致。

MSN_1–MSN_3 SpD的空间梯度与分子分区

三个MSN SpD呈梯度样过渡，而非截然分界，不支持经典的核心部/壳部一一对应关系。

MSN_1 SpD（外侧）：富集核心部标记物CALB1和ADORA2A。

MSN_3 SpD（内侧）：富集壳部标记物CARTPT、NPY2R和CALCR。

MSN_2 SpD：表达水平介于MSN_1和MSN_3之间。

直接通路标记物（DRD1、PDYN）在内侧（D1岛和MSN_3）高表达；间接通路标记物（ADORA2A、PENK）在外侧（MSN_1和MSN_2）高表达，但差异不全都显著。

非MSN SpD

抑制性SpD：包含SST+/CORT+神经元、SLC5A7+胆碱能神经元，标记基因包括GNRH1。

内皮/室管膜SpD：表达NGFR、CLDN5、SUSD2。

白质SpD：表达髓鞘相关基因。

兴奋性SpD：表达SLC17A7等谷氨酸能标记物，但位于NAc边界外的邻近结构，smFISH证实NAc内无兴奋性神经元胞体。

SpD与MSN亚型的跨物种对应关系

DRD1_MSN_A和DRD2_MSN_A与MSN_1 SpD关联最强。

D1岛与DRD1_MSN_B和DRD1_MSN_D共享基因表达特征。

跨物种比较：

人类MSN_1和MSN_2 SpD → 非人灵长类核心部相关亚型（D1基质、D2基质、纹状体）。

人类MSN_3 SpD → 非人灵长类壳部偏向亚型（D1/D2壳部/嗅结节）。

人类D1岛 → 非人灵长类特化MSN群体（D1/D2杂合型、D1 Calleja岛、D1 NUDAP）。

啮齿类Grm8表达MSN在人类D1岛中富集，提示组织模式在物种间保守。

SpD与疾病遗传力的关联

MSN_1和MSN_2 SpD：显著富集精神分裂症、双相情感障碍和神经质的遗传力。

MSN_3 SpD：显著富集每周饮酒量和戒烟的遗传力。

表明不同SpD对精神疾病和物质使用相关性状的风险具有差异性贡献。

结果3、连续空间梯度定义了MSN SpD内的异质性

离散的SpD分区可能掩盖了域边界处的逐渐过渡，因此研究者采用连续梯度分析方法（MERINGUE），允许每个捕获点由多个转录程序共同贡献。

仅使用被归类为MSN SpD的Visium捕获点进行分析，鉴定出4个MERINGUE共有模式（MCP_1至MCP_4）。

四个MCP的空间分布特征

MCP_1：在MSN_3 SpD中评分最高，MSN_1中中等，各捐献者间无明显方向一致性。

MCP_2：与MSN_2 SpD最吻合，呈局部富集，但无明确解剖学梯度。

MCP_3：内侧偏向，在MSN_3 SpD中评分最高。

MCP_4：在MSN_1 SpD中最强。

MCP_3和MCP_4表现出稳定的内侧-外侧梯度，支持NAc内存在连续转录梯度假说。

各MCP相关的基因特征

MCP_2：富集胶质细胞基因（MBP、OLIG1）。

MCP_3：富集壳部相关神经肽（CARTPT、PDYN）、多巴胺信号基因（CALY）、印迹性神经发育调控因子（PEG10、NNAT、NDN）。

MCP_4：富集经典DRD2 MSN和核心部相关基因（ADORA2A、CALB1）。

CALB1、DRD1、TAC1等基因与MCP_3也有一定相关性（尽管低于MCP_4），表明分区并非截然分明，而是存在复杂的空间分子组织。

MCP_1：与上述多种基因相关性较低但范围较广，提示其可能代表混合型MSN亚型或过渡性空间环境。

通路富集与疾病遗传力关联

GSEA富集通路：

MCP_1富集293条通路

MCP_3富集332条通路

MCP_4富集98条通路

共同富集通路包括DARPP32事件和阿片信号通路。

s-LDSC遗传力分析：

MCP_3：显著且独特地富集抑郁症和吸烟起始的遗传力。

MCP_1：显著富集每周饮酒量的遗传力。

这些结果表明，连续的转录梯度不仅在空间组织上有意义，还与不同精神疾病和物质使用性状的遗传风险有特异性关联。

梯度细胞组成分析

细胞类型去卷积（RCTD）分析

主要贡献细胞类型包括多种MSN亚型（DRD1_MSN_A/B/C/D、DRD2_MSN_A/B）及星形胶质细胞和少突胶质细胞。

MSN_1 SpD：富集DRD1_MSN_A和DRD2_MSN_A（外侧偏向）。

MSN_3 SpD：富集DRD1_MSN_C（内侧偏向）。

DRD2_MSN_A呈明显外侧偏向，DRD1_MSN_C呈内侧偏向。

内侧MSN_3富集的细胞类型可能与厌恶反应相关（基于啮齿类研究）。

尽管存在SpD特异性富集，多数MSN亚型在所有三个SpD中均有分布，反映连续而非离散的组织模式。

非神经元细胞的贡献

少突胶质细胞在MSN_2 SpD中贡献显著更高，提示胶质细胞参与形成空间结构化的微环境。

在胶质细胞富集的捕获点中，星形胶质细胞和少突胶质细胞均优先与DRD2_MSN_A相关。

Xenium原位验证

证实了Visium中观察到的基因表达梯度：

DRD1和PENK在MSN SpD中广泛表达。

DRD2在整个NAc表达，但外侧最高。

PDYN、CARTPT和ARHGAP36严格限于内侧NAc。

Xenium结果整体验证了Visium空间转录组的梯度发现。

NMF因子分析

共鉴定出多个MSN SpD特异性因子：

nmf4和nmf7沿内外侧轴表现出捐献者特异性变异。

转录变异的空间轴包括：多巴胺信号调节、DRD1/DRD2神经元丰度、药物响应性信号、胶质-MSN相互作用。

GSEA通路富集

所有MSN富集因子均与GPCR信号传导相关。

多个因子富集阿片信号传导和G蛋白亚基通路。

nmf7额外富集NMDA受体激活通路。

s-LDSC遗传力关联

nmf3：与每周饮酒量、双相情感障碍、精神分裂症风险相关，富集neurexin-neuroligin信号基因。

nmf4：显著富集戒烟相关遗传力。

结果4、D1岛和抑制性SpD的细胞组成

D1岛的细胞组成（RCTD去卷积）

Visium与snRNA-seq配准显示DRD1_MSN_B和DRD1_MSN_D与D1岛高度相关。

聚焦4名具有清晰D1岛的捐献者进行分析。

RCTD鉴定出三种贡献细胞类型：DRD1_MSN_B、DRD1_MSN_C、######DRD1_MSN_D，以及非神经元细胞。

DRD1_MSN_D：在后部中间样本中略有增加，大体匹配岛边界。

DRD1_MSN_B：空间上更局限于腹侧和内侧区域。

空间趋势在不同捐献者间一致，提示单个D1岛内部存在细胞异质性。

Xenium验证

Xenium数据验证了Visium RCTD预测。

D1岛由DRD1_MSN_B和DRD1_MSN_D组成，高表达RXFP1和GABRQ。

室管膜细胞（CFAP157+）被限制性检测于侧脑室区域，验证了标签转移的准确性。

NMF因子分析（D1岛）

鉴定出三个D1岛相关因子，均与神经发育和精神疾病相关基因（FOXP2、RBFOX1、NRG1、OPCML、SLC35F1）相关：

CPNE4和RXFP1的因子特异性关联与非人灵长类发现一致。

nmf44和nmf34贡献最多独特基因，66个基因在三个因子间共享。

结论：D1岛共享共同转录结构，但内部存在异质性。

smFISH验证

正交验证了D1岛沿前后轴呈空间限制性分布。

确认D1岛在中间和后部水平最显著。

GSEA通路富集

所有三个D1岛因子均富集"NMDA受体激活和突触后事件"。

nmf34额外富集DAG/IP3信号传导和红藻氨酸受体激活。

nmf35额外富集轴突导向和AMPA受体信号通路。

nmf44额外富集膜组织和突触粘附。

遗传力关联（s-LDSC）

nmf44：对抑郁症风险位点富集最强。

所有三个因子：均富集精神分裂症和双相情感障碍风险位点。

提示D1岛内不同转录模式与神经精神性状的遗传结构存在差异性关联。

抑制性神经元群体的空间定位

Inh_E（NPY+/CORT+/SST+）：在MSN SpD内形成致密口袋。

Inh_A：分布模式相似但更弥散。

Inh_C（GLP1R+/TAC3+）：特异性定位于内侧和背侧NAc，与MSN_3 SpD重叠，紧邻D1岛。

Inh_B、Inh_D、Inh_F：分布于整个NAc，也致密定位于邻近区域。

CHAT+胆碱能神经元（Inh_D）：在D1岛邻近区域丰度更高。

结论：D1岛具有独特的邻近非MSN群体。

结果5、与神经精神性状相关的LR相互作用的空间定位

LR相互作用总体分析

• 使用LIANA工具从snRNA-seq数据中推断细胞类型内部和之间的候选LR相互作用。
• 星形胶质细胞-MSN相互作用：涉及脂质代谢和突触可塑性。
• 少突胶质细胞-MSN相互作用：涉及细胞粘附和轴突导向通路。
• 聚焦于至少一个伴侣为抑郁症、焦虑症、SUD或SCZ风险基因的LR对。

二、共享与疾病特异性LR相互作用

跨性状共享的LR相互作用：

• BDNF-NTRK2：神经营养信号，与应激反应和药物寻求相关。
• TAC1-TACR3/DPP4：速激肽信号，影响厌恶学习。
• CRH-CRHR1：应激激素信号。

疾病特异性LR相互作用：

• 焦虑特异性：富集细胞粘附和Wnt信号传导。
• 抑郁症特异性：涵盖Notch、ephrin和细胞外基质通路。
• 物质使用障碍特异性：包括阿片和神经肽系统（PENK-OPRM1、PDYN-OPRM1）。

三、LR相互作用的细胞类型来源

配体发送者（sender）：

• PENK：几乎 exclusively 来源于DRD2_MSN_A（间接通路MSN）。
• SEMA3E：来源于DRD1_MSN_C。
• TAC1：来源于DRD1 MSN亚型，伴抑制性群体额外贡献。

受体接收者（receiver）：

• OPRM1介导的相互作用发生在DRD1_MSN_B，该群体定位于D1岛。

四、NPY信号传导的细胞类型特异性

• NPY-GRM7在MSN和抑制性细胞类型中广泛存在。
• NPY-ADRB1和NPY-NPY5R涉及不同但重叠的MSN群体，显示受体和细胞类型特异性。

五、阿片信号传导（PENK/PDYN-OPRM1）

• PENK-OPRM1：PENK主要来自DRD2_MSN_A。
• PDYN-OPRM1：PDYN exclusive 来自DRD1_MSN_A（sca.LR评分~0.87）。
• 接收者DRD1_MSN_B显著富集GPCR下游信号和阿片信号通路。
• PENK广泛分布；PDYN在D1岛和MSN_3 SpD中略高。
• 两种信号汇聚于D1岛内表达OPRM1的DRD1_MSN_B和DRD1_MSN_D。

六、应激激素信号（CRH-CRHR1）

• CRH的主要发送者：Inh_E（NPY+/CORT+/SST+）。
• CRHR1受体表达富集于DRD1_MSN_D和Inh_D（胆碱能） 群体。
• D1岛整合了阿片相关信号和应激激素信号。

七、接触依赖性信号传导（Contactin-PTPRG）

• 聚焦CNTN3/4/6与PTPRG的膜结合配体-受体相互作用。
• 各配体有不同发送者群体，但接收细胞类型趋同。
• CNTN4-PTPRG共表达捕获点在D1岛、MSN_1和抑制性SpD中比例更高。
• CNTN4-PTPRG最高共现率出现在DRD2_MSN_B、Inh_A和Inh_F群体。

八、空间映射总结

• OPRM1在D1岛内高度富集，别处几乎不表达。
• PENK广泛分布，PDYN在D1岛和MSN_3 SpD中富集。
• PENK发送者DRD2_MSN_A的分布与PENK表达模式一致。
• PDYN发送者DRD1_MSN_A的权重分布与PDYN表达峰值区域（MSN_3 SpD）不完全重叠。
• PENK和PDYN信号汇聚于D1岛内的OPRM1+ DRD1_MSN_B/D。
• 结论：性状相关信号传导源于跨多种细胞类型的协调相互作用，整合多组学数据有助于理解疾病相关LR相互作用。

结果6、与急性和自愿性吗啡相关的细胞类型特异性转录程序的空间关联

研究思路

整合SRT和snRNA-seq数据，将大鼠NAc中急性和自愿性吗啡/可卡因相关的转录特征映射到人类NAc的SpD上。

大鼠MSN亚型在人类中有空间组织的对应物，使跨物种映射成为可能。

急性吗啡相关转录程序

上调基因（D1R MSN-2）：在MSN_1–MSN_3 SpD中富集，尤其MSN_3 SpD。

下调基因（D2R MSN-3）：在MSN_1和MSN_2 SpD中富集。

NMF因子：

nmf12（DRD1 MSN-1中权重最高）：捕获神经元存活和多巴胺能信号。

关键大鼠基因：Ntrk2（TrkB受体，促MSN生长存活）、Pde7b（抑制多巴胺能细胞死亡）。

人类相关基因：PENK、PRKCB、PTPN5（调节多巴胺信号）。

空间分布：在所有MSN SpD中广泛分布。

nmf3（多MSN细胞类型均有负载）：反映应激反应、蛋白质折叠和代谢调控。

空间分布：轻微内侧偏向，延伸至白质。

自愿性吗啡相关转录程序

三个吗啡相关因子在MSN细胞类型中贡献各异：

nmf12：多巴胺能信号和可塑性相关程序（与急性一致）。

nmf3：应激和代谢反应（与急性一致）。

nmf23：独特特征。

关键大鼠基因：Tenm3（丘脑-纹状体投射地形模式）、Htr2c（吗啡诱导的多巴胺外流）。

人类专属关联：HTR2C、PCDH17。

空间分布：在MSN SpD中权重最高，尤其MSN_1 SpD。

非细胞类型特异性因子nmf3：在抑制性、兴奋性、D1岛和内皮/室管膜SpD中权重最高。

可卡因相关转录程序

大鼠可卡因vs.生理盐水比较中，仅Drd1 MSN 1有>25个DEG。

该大鼠细胞类型在转录上最接近人类DRD1_MSN_A和MSN_1 SpD。

上调的可卡因DEG在所有MSN SpD中均显著富集。

MSN_1和MSN_3 SpD共享的上调DEG：PDE7B、ARPP21、GRIN1（参与多巴胺能和谷氨酸能信号）。

上调基因还包括TAC1（影响应激诱导的快感缺乏和回避反应）。

NMF因子：

nmf15：突触可塑性和多巴胺能信号程序（类似nmf12），空间分布在各MSN SpD中。

nmf28：未详细展开。

总结性结论

鉴定出吗啡和可卡因相关转录程序，与MSN细胞类型和SpD标记基因重叠。

提示NAc中这些环路对药物响应性通路具有易感性。

该分析框架为将动物模型的药物响应数据映射到人类空间转录组图谱提供了方法学示范。

最后，来看看方法

NMF分析

空间通讯分析

生活很好，有你更好。