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在《Nature》期刊发表的一篇文章中，来自哈佛大学的科研团队探讨了下丘脑前视区（POA）神经元类型在发育过程中的多样性及其受性别、感官输入和功能的影响。研究者们通过转录组和染色质可及性分析，揭示了POA神经元在不同发育阶段的轨迹，发现这些轨迹受到动物性别、细胞类型的位置以及其行为或生理功能的显著影响。研究识别了POA发育的关键阶段，包括早期多样化、围产期性别差异的出现、出生后的成熟和信号网络的精细化，以及在断奶和青春期时加速的非线性转录变化。此外，研究还评估了不同感官突变体的POA发育，发现犁鼻器感知在POA细胞类型成熟的时机中起重要作用。这些结果为控制稳态功能和社会行为的神经元发育提供了新的见解，并为研究早期生命中这些功能的动态奠定了基础。
动物行为在出生后发育过程中发生显著变化，感官体验随着感官器官的成熟而改变，生理需求如睡眠、体温调节和饥饿感在年轻动物达到独立时以不同方式得到满足。社会关系也发生变化；在哺乳动物中，与父母的互动随着断奶而改变，性别特异性的生殖和防御行为在青春期后出现。尽管关于物种和性别特异性行为的遗传和环境信息的作用存在激烈争论，但相应脑回路的发育机制仍然知之甚少。研究表明，环境信息对于社会和生存行为的适当成熟至关重要，但关键时期如何塑造相应的神经元群体仍不清楚。研究通过对POA的详细分析，提供了关于这些功能在早期生活中的动态的新见解。这篇论文探讨了哺乳动物在早期生活阶段行为和生理的重大变化，特别是在断奶和青春期时的转变。研究的重点是下丘脑前视区（POA）神经元群体的发育轨迹，这些神经元在生理和行为控制中起关键作用。研究团队通过转录组学和染色质可及性分析，揭示了这些神经元群体的发育多样性，这种多样性受到动物性别、细胞类型的功能和位置的影响。研究确定了前视区发育的关键阶段，包括早期的多样化、围产期性别差异的出现、出生后的成熟以及信号网络的精细化。研究还发现，嗅觉系统，特别是犁鼻器感知在前视区细胞类型成熟的时机中起到重要作用。
研究发现，POA神经元的发育受到动物性别、细胞类型的功能和位置的显著影响。研究通过转录组和染色质可及性分析，揭示了POA神经元在不同发育阶段的多样性，包括早期的多样化、围产期性别差异的出现、出生后的成熟和信号网络的精细化，以及在断奶和青春期时加速的非线性转录变化。研究还发现，犁鼻器感知在确保POA细胞类型成熟的时间上起着重要作用。这些结果为控制体内平衡功能和社会行为的神经元发育提供了新的见解，并为研究这些功能在早期生活中的动态变化奠定了基础。研究总结了POA神经元类型的发育轨迹，发现这些神经元在胚胎期就已经多样化，并在出生后经历了几个关键的成熟阶段。研究指出，P0到P10之间是POA区域化过程的关键时期，信号网络在此时建立，而P10到P18和P28到P65则是两个重要的成熟阶段，分别对应于断奶和青春期。研究还发现，性别对成熟的时间和方式有广泛影响，包括围产期性别差异的出现和青春期的动态性别差异。最后，研究表明，感官输入，特别是来自犁鼻器的输入，对POA细胞类型的成熟时间有显著影响，而其他感官输入如触觉和视觉则影响较小。
性别差异的早期出现：研究发现，性别差异在围产期就开始显现，并在青春期加速。这提示在某些神经和行为障碍（如自闭症谱系障碍和性别发育障碍）中，性别可能在早期就产生影响。 感觉输入对发育的影响：研究指出，犁鼻器感觉在POA细胞类型成熟的时机中起重要作用。这表明感觉输入对大脑关键区域的发育有显著影响，对于理解感觉处理异常如何导致行为障碍提供了新视角。 关键发育阶段识别：研究识别了POA发育的关键阶段，包括早期多样化、围产期性别差异的出现、出生后的成熟和信号网络的精炼。这些阶段的识别有助于理解在这些关键窗口中干预可能对行为和生理功能的长期影响。 行为和生理功能的发育机制：通过分析不同神经元类型在不同发育阶段的基因表达变化，研究揭示了与睡眠、饮食、性行为等相关的神经网络是如何逐步形成和成熟的。这为解释某些行为和生理紊乱的发生机制提供了基础。 总的来说，该研究为理解哺乳动物早期生活中的神经发育过程及其对行为和生理功能的影响提供了重要的基础，可能对未来开发针对相关神经和行为障碍的干预策略具有指导意义。1. 样本收集与制备：研究团队从小鼠的不同发育阶段（从胚胎第16天到成年期）收集了POA和周边区域的样本，并进行了单核RNA测序（snRNA-seq）和单核染色质可及性测序（snATAC-seq）。2. 数据分析： 使用了配对的snRNA-seq和snATAC-seq技术来分析147种神经元类型的发展轨迹。这包括从胚胎到成年期的发育关键阶段（如出生、断奶和青春期）。 通过层次聚类和基因标记分析，识别了不同的细胞类群。3. 发育轨迹与转录调控： 研究确定了关键的转录因子，这些因子在信号网络的成熟过程中起重要作用。 通过对不同感官突变体的POA进行分析，发现犁鼻器感知在确保正常POA细胞类型成熟时序中的重要角色。4. 性别差异： 研究显示了性别在神经元类型成熟中的显著影响，尤其是在青春期。 性别差异不仅体现在成熟时序上，还体现在基因表达的动态变化上。5. 感官输入的影响： 通过对不同感官突变体的研究，发现犁鼻器输入对绝大多数POA细胞类型的正常发育时序至关重要，而其它感官输入（如触觉、视觉）对POA的转录成熟影响较小。
图1：下丘脑POA细胞类型在发育过程中的分子图谱
Figure 1 为了研究下丘脑前视交叉前区（POA）细胞类型在不同发育阶段的变化，作者对POA及其周围区域进行了细胞核提取，并在八个发育阶段准备了snRNA-seq和snATAC-seq文库，每个年龄段包含两个雄性和两个雌性样本。A. 实验设计示意图：作者对POA及其周围区域进行了解剖，提取细胞核，并在八个发育阶段准备了snRNA-seq和snATAC-seq文库，每个年龄段包含两个雄性和两个雌性样本。B. 细胞类型与先前确定的在社会行为或稳态控制中发挥作用的细胞类型的对应关系。C. 在P65阶段，使用snRNA-seq对64个兴奋性和83个抑制性细胞簇进行层次聚类分析，按照POA亚区域身份进行组织。‘e-’和‘i-’分别表示兴奋性和抑制性细胞类型，后跟一个字母表示POA亚区域。D. 使用典型相关分析将E16阶段的细胞类型映射到P65阶段的细胞簇中，几乎所有E16细胞类型都对应到单一的P65细胞类型，只有极少数出现非对角线对应。E. 使用统一流形近似与投影（UMAP）对所有八个年龄段的兴奋性细胞簇进行降维分析。左图按簇着色（c图顶部的关键），右图按年龄着色。插图显示三个簇在年龄上的梯度变化。F. 在每个簇中确定差异表达基因（DEGs），并在所有年龄段进行分析（devDEGs）。右侧直方图将devDEGs根据识别的簇数量进行分类：超过70%（‘共享’），少于20%（‘细胞类型特异性’）或介于两者之间（‘中间’）。底部直方图显示每个簇的devDEGs数量。G. 在所有devDEGs中，标准化的细胞类型特异性基因表达变化（拟合趋势曲线）按时间进程进行聚类（左侧彩色条）。H. 四个devDEG簇的示例。每条彩色线表示单个devDEG的细胞类型特异性基因表达变化；每条黑线表示簇中所有devDEGs的平均值。I. 对h中显示的四个devDEG簇进行GO术语富集分析。结论：通过对POA细胞类型在不同发育阶段的分子图谱分析，研究揭示了细胞类型特异性基因表达的动态变化及其在发育过程中的功能角色。
图2：前视区细胞类型的发育轨迹
Figure 2 为了研究前视区（POA）不同细胞类型在发育过程中的成熟轨迹，作者通过主成分分析（PCA）空间中的距离变化来量化成熟度，并分析了不同细胞类型在不同年龄段的发育轨迹。A. 为了量化不同细胞类型的成熟度，作者在PCA空间中计算了每个年龄的质心与成年质心之间的距离，这一计算是分别针对每种细胞类型进行的。B. 作者展示了所有细胞类型在不同年龄段的距离轨迹，其中灰色表示所有细胞类型的轨迹，黑色表示平均轨迹，彩色表示感兴趣的极端细胞类型。结果以任意单位（a.u.）表示。C. 上图为不同轨迹类别的示意图。下图展示了兴奋性细胞类型的距离轨迹。轨迹根据成熟的90%发生在4-5个年龄段（类别1，渐进）、三个年龄段（类别2，中间）或1-2个年龄段（类别3，阶跃）分为三类。D. 平均每类的距离轨迹。E. 兴奋性细胞类型在不同亚区域的分类分布比例。F. 与E类似，但针对抑制性细胞类型。G. 所有细胞类型或按功能组划分的分类分布比例。H. 抑制性VLPO细胞类型的距离轨迹。通过双因素方差分析（ANOVA），细胞类型子集的影响显著，P值为2.15×10^-11。I. 抑制性MPN+VMPO+Pe细胞类型的距离轨迹，P值为5.5×10^-15。J. 在社会行为中起作用的细胞类型的距离轨迹。双因素ANOVA分析显示细胞类型子集的影响显著，P值为1.39×10^-14。K. 在稳态控制中起作用的细胞类型的距离轨迹。双因素ANOVA分析显示细胞类型子集的影响不显著，P值为0.541。L. Eigentrend值总结了选择的GO术语中发育差异表达基因（devDEGs）在不同年龄段的表达变化。红色、蓝色和橙色三角形分别表示在文本中提到的特别早期（红色、橙色）或晚期（蓝色）变化的簇。结论：前视区不同细胞类型在发育过程中表现出不同的成熟轨迹，这些轨迹可以根据成熟速度和模式进行分类，并且在功能上与细胞的特定角色相关。
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Figure 3 研究了不同年龄阶段POA（视前区）神经元信号传导的成熟变化，重点关注代谢、进食、睡眠-觉醒调节及性激素信号传导相关基因的表达变化。A. 为了研究不同信号基因类别在不同年龄阶段的表达变化，作者对各类信号基因的表达进行了模块评分，并在不同年龄阶段进行z-score标准化。结果显示，不同信号基因类别在不同年龄阶段的表达存在显著变化。B. 作者通过精细化评分量化了在P10到P65（精细化阶段）期间每个类别中基因的显著变化数量，并对每个类别中的基因数量进行了标准化。结果表明，不同类别的基因在精细化阶段的变化程度不同。C-E. 通过对代谢和进食相关受体基因Mc4r（C）、Glp1r（D）和ghrelin受体Ghsr（E）的对数标准化基因表达分析，作者发现这些基因在不同年龄阶段的表达在各个簇内平均化，彩色线条代表示例簇，黑色线条显示示例簇的平均值。F-J. 对于睡眠-觉醒调节相关受体基因Hrh3（F）、Hcrtr2（G-H）和Drd1（I-J）的表达分析，作者发现这些基因在不同年龄阶段的表达在不同细胞类型中存在差异，示例细胞类型包括参与睡眠-觉醒（G）或社会行为（H）的细胞类型，以及基底前脑/HDB（I）或SCN（J）的细胞类型。K-O. 对于性激素信号传导相关基因Esr1（K）、Cyp19a1（编码芳香化酶；L）、Ar（M）、Pgr（N）和Prlr（O）的表达分析，作者发现这些基因在不同年龄阶段的表达在各个簇内平均化。P-Q. 通过NeuronChat分析在P10与P65阶段AvPe/MnPO和MPN细胞类型之间的神经肽和单胺连接，结果显示在P10阶段（P）比P65阶段（Q）有更多的连接上调。R. NeuronChat分析识别出的在P10或P65阶段的神经肽和单胺连接数量，按随年龄上调的顺序从左到右排序。S-T. 在P10（S）或P65（T）阶段e-A3的输出连接。U. 类似于R，但仅针对e-A3的外向连接。结论：POA神经元信号传导在不同年龄阶段表现出显著的成熟变化，涉及代谢、进食、睡眠-觉醒调节及性激素信号传导相关基因的表达变化。这些变化可能与不同细胞类型间的神经肽和单胺连接的成熟有关。
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Figure 4 研究了小鼠视前区（POA）成熟过程中性别差异的表现，重点分析了不同性别小鼠在抑制性神经元簇中的差异。A. 为了研究不同性别小鼠抑制性神经元簇的成熟轨迹，作者对雄性和雌性小鼠的抑制性神经元簇进行了距离轨迹分析。结果显示，雄性和雌性小鼠的抑制性神经元簇在成熟过程中表现出不同的距离轨迹。B. 为了比较不同年龄段的性别差异，作者分析了每个簇中雄性和雌性小鼠到成年阶段的距离分布，并进行了双侧t检验。结果显示，随着年龄的增长，雄性和雌性小鼠在所有细胞类型中的距离差异逐渐显著，尤其是在特定年龄段（如P值为0.0038、0.0022、0.0001、6.9×10−8、0.035和5.63×10−9）。C. 为了进一步分析簇距离轨迹中的分类分布，作者计算了不同簇的分类比例，结果显示不同性别小鼠在成熟过程中表现出不同的分类分布。D. 在P65阶段，作者通过主成分分析（PCA）空间中雄性和雌性样本质心之间的距离（标准化为性别内距离）以及检测到的性别差异表达基因（sexDEGs）的数量来测量抑制性神经元簇中的性别差异。结果显示，雄性和雌性小鼠在抑制性神经元簇中表现出显著的性别差异。此外，性激素受体的平均基因表达也显示出性别差异。E. 为了研究在不同年龄段中表现出显著性别差异的簇，作者检测了在给定年龄段中检测到的性别差异表达基因（sexDEGs）的数量。结果表明，随着年龄的增长，检测到的性别差异表达基因的数量逐渐增加。结论：该研究揭示了小鼠视前区成熟过程中抑制性神经元簇的性别差异，尤其是在特定年龄段表现出显著的差异，这可能与性激素受体的表达有关。
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Figure 5 探讨了感觉信号对前视交叉前区（POA）成熟的影响，特别是通过分析TRPC2基因突变体与对照组之间的差异。A. 为了研究兴奋性细胞群中突变体与对照组样本的差异，作者在主成分分析（PCA）空间中计算了突变体与对照组样本重心之间的距离，并进行了标准化处理。对照组样本包括C57BL/6J小鼠和对照同窝小鼠。结果显示，突变体与对照组样本在PCA空间中的距离存在差异。B. 为了分析TRPC2 P10实验中所有细胞群的突变体与对照组之间的PCA距离，作者根据功能角色对数据进行了划分。结果表明，不同功能角色的细胞群在突变体与对照组之间的PCA距离上存在差异。C. 为了研究Trpc2突变体（-/-）和对照组（-/+同窝小鼠）在不同年龄段的成熟度，作者进行了拟时间映射分析。结果显示，较高的拟时间值对应于较高的成熟度（更接近成年细胞类型）。在不同年龄段，突变体与对照组的细胞类型在成熟度上存在显著差异。D. 为了研究核心神经元成熟基因在不同年龄段的表达情况，作者分析了野生型C57BL/6J细胞类型在每个年龄段的基因表达，以及Trpc2-/+和Trpc2-/-细胞类型在P10时的基因表达。结果表明，突变体与对照组在核心神经元成熟基因的表达上存在显著差异。E. 为了识别在Trpc2-/+和Trpc2-/-细胞类型在P65时表现出差异的细胞类型，作者使用了随机森林分类器方法（Augur）。每个点代表一个细胞类型，结果显示，与Trpc2-/-成年小鼠相关的社会行为受影响的细胞类型用彩色点表示。结论：感觉信号通过影响核心神经元成熟基因的表达和细胞类型的功能角色，显著影响了POA的成熟过程。
这篇来自哈佛大学的研究通过多组学手段揭示了下丘脑前视区(POA)神经元的发育轨迹。研究显示，性别、感官输入和功能在POA细胞类型的发育中起到关键作用。通过对小鼠POA不同发育阶段的转录组和染色质可及性进行分析，研究识别出在生后发育过程中，POA细胞类型的显著多样性。这种多样性受动物性别、细胞类型所在位置以及其行为或生理功能的影响。此外，研究发现，犁鼻器感应在正常POA细胞类型成熟时间中起到重要作用。
性别差异：研究发现性别在POA细胞类型的发育过程中产生广泛影响。比如，雌性细胞类型在E18到P4期间比雄性更为成熟，而在P4到P10-28期间，雄性成熟更快。感官输入的影响：研究评估了不同感官突变体中的POA发育，发现犁鼻器输入对POA发育时间的影响尤为显著，而视觉和体感输入的影响相对较小。功能与成熟时间线：不同POA细胞类型表现出特定的成熟轨迹，这与它们的生理功能密切相关。细胞类型的成熟时间线与其神经递质、所在亚区域或行为功能密切相关。发育阶段与信号网络：研究发现，POA神经元在不同的发育阶段形成不同的信号网络，这些网络在早期（E16到P4）建立，并在青少年期（P10到P65）得到进一步细化。总之，这项研究为理解控制内稳态功能和社会行为的神经元发育提供了新的见解，并为探讨这些功能在生命早期的动态变化奠定了基础。研究指出，POA的发育过程不仅受内在遗传因素的影响，还对外部环境输入（如犁鼻器输入、性激素分泌等）表现出敏感性，这可能解释了早期生命经验如何对社会行为或内稳态控制产生长期影响。![]()
