随着受精卵的分裂，最初未分化的细胞承担特定的功能，随着不同组织和器官的出现而变得更加明显。了解数百种不同的细胞类型是如何产生的已被证明是困难的，主要是因为科学家们缺乏随着时间的推移捕捉细胞决策的技术。
最近的进展使研究人员能够测量单个细胞基因活动的变化，因此几个小组开始详细研究特定大脑区域中特化细胞类型是如何形成的。然而，到目前为止，还没有人追踪整个发育中大脑的基因表达模式。
现在，EPFL 研究人员和他们在瑞典卡罗林斯卡研究所的合作者第一次绘制了胚胎细胞在成熟大脑中遵循的遗传和发育轨迹图。研究主要作者、EPFL 神经发育系统生物学实验室负责人 Gioele La Manno 表示，该分子图谱不仅可以帮助更好地了解健康和患病的大脑，还可以改进神经退行性疾病的细胞替代疗法等治疗方法。研究结果发表在《自然》杂志上。
为了随着时间的推移监测单个细胞的决策，La Manno 和他的同事每天分析小鼠胚胎从受精后第 7 天到出生的大脑样本。结合强大的测序技术和数学方法，研究人员从所有大脑区域获得了大约 290,000 个单个细胞的基因表达谱，以及近 800 个细胞“状态”，其中包括不同细胞的发育程序，包括神经元和神经元支持细胞。
随着神经元祖细胞的成熟，它们停止增殖并分化成许多不同的神经元。研究人员追踪了这种多样性的出现，并描述了不同大脑区域的原始神经细胞(称为神经母细胞)出现的时间。在小鼠中，第一批神经母细胞出现得早，在胚胎发育的第 9 天之前——这大致对应于人类妊娠第一个三个月的开始。研究人员发现，这些先驱神经元参与感觉和运动功能。“首先要做的事情之一是设置运动和感觉功能，因为如果你不及早设置这些功能，以后建造通往外围的‘高速公路’将变得更加困难，”拉曼诺说。
研究人员还发现了特定类型的神经元祖细胞，称为组织者放射状神经胶质细胞，其作用是通过产生分子信使来指导邻近细胞的发育，帮助确定大脑中各种特化细胞类型的位置。“如果大脑是一个管弦乐队，组织者放射状神经胶质细胞将是指挥者，”拉曼诺说。研究小组发现，这些放射状神经胶质细胞产生的分子信使种类比科学家们想象的要多。
该分析还使研究人员能够识别不同大小的细胞群，某些细胞群的细胞数量是其他细胞群的 100 倍。最大的群体之一似乎是前脑中的兴奋性神经元，该区域包括大多数参与高阶认知的区域。确定的最小种群之一是一种称为室管膜细胞的神经元支持细胞，它产生围绕大脑和脊髓的液体。
拉曼诺希望这个大脑图谱中包含的丰富信息可以帮助识别与神经发育状况相关的基因，并确定脑癌中恶性细胞的起源。他说，该图谱还可以作为评估实验室培养皿中干细胞产生的脑组织的参考。为了帮助其他人研究具有医学意义的细胞和组织，研究人员将该图谱作为可浏览的网络资源公开提供。
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