瘫痪后恢复行走能力的神经元研究
文章概述
文章标题：《The neurons that restore walking after paralysis》
发表日期和杂志：2022年发表在nature portfolio上
在线阅读链接：https://doi.org/10.1038%2Fs41586-022-05385-7
单细胞实验设计
使用单核RNA测序(snRNA-seq)对小鼠腰椎脊髓进行了分析。设计了八个实验条件的进展，这些条件捕获了EESREHAB的关键治疗特征。从82,093个细胞核中获得了高质量的转录组，这些细胞核均匀分布在所有8种条件下的24只小鼠中。
小鼠分为三个实验组:未损伤组、SCI(不进行神经康复)组和EESREHAB（髓损伤康复组）组。
8个实验条件
行走及瘫痪原理介绍
指挥行走的神经元位于腰椎。行走时，大脑通过脑干级联的下行通路发出指令，激活这些神经元。严重的脊髓损伤(SCI)分散了这种精心组织的通信系统，位于腰椎脊髓的神经元并没有直接受到损伤，但重要的脊髓上指令的耗竭使它们丧失功能，其后果是永久性瘫痪。
个别案例研究报告称，EES可以立即重新激活腰椎的非功能性神经元，使瘫痪的人能够行走。在神经康复(EESREHAB)中应用EES进一步改善了步行的恢复，即使在关闭刺激时也是如此。
EESREHAB重塑人类脊髓实验验证
首先测试了EESREHAB是否可以恢复大量脊髓损伤患者的行走能力，以及这种恢复是否涉及腰椎的重塑。
9名患者参加了首次人体临床试验“地面刺激运动”(STIMO)，旨在确定EESREHAB改善慢性脊髓损伤患者行走恢复的安全性和可行性。
利用先前的设计构建了一个新的机器人界面，优化以支持小鼠的小体重。还设计了EES方案，以避免由于小鼠脊髓体积小而导致的腹侧神经根的脱靶募集。当EES打开时，小鼠立即恢复了在机器人界面支持下行走的能力
单细胞转录组数据情况
数据链接是：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE184370
数据情况：
GSM5585216 SCI rep1
GSM5585217 SCI rep2
GSM5585218 SCI rep3
GSM5585219 Uninjured rep1
GSM5585220 Uninjured rep2
GSM5585221 Uninjured rep3
GSM5585222 EESREHAB rep1
GSM5585223 EESREHAB rep2
GSM5585224 EESREHAB rep3
GSM5585225 EESREHAB->EES::walking rep1
GSM5585226 EESREHAB->EES::walking rep2
GSM5585227 EESREHAB->EES::walking rep3
GSM5585228 EESREHAB->EES rep1
GSM5585229 EESREHAB->EES rep2
GSM5585230 EESREHAB->EES rep3
GSM5585231 SCI->EES::walking rep1
GSM5585232 SCI->EES::walking rep2
GSM5585233 SCI->EES::walking rep3
GSM5585234 EESREHAB->EES::cortex::walking rep1
GSM5585235 EESREHAB->EES::cortex::walking rep2
GSM5585236 EESREHAB->EES::cortex::walking rep3
GSM5585237 EESREHAB->EES::cortex rep1
GSM5585238 EESREHAB->EES::cortex rep2
GSM5585239 EESREHAB->EES::cortex rep3
提供的是10X格式的三个文件:barcodes、features以及全部样品表达矩阵的courtine_lumbar-EES-rehab_UMI.mtx.gz，选择下载数据之后，需要分别读取三个文件，而不是使用Read10X函数直接读取。
#将三个文件按照对应的格式分别读取进来
library(Matrix)
mtx=readMM('2022_SCI_GSE184370_Nature_data/GSE184370_courtine_lumbar-EES-rehab_UMI.mtx.gz')
mtx[1:4,1:4]
dim(mtx)
cl=fread('2022_SCI_GSE184370_Nature_data/GSE184370_barcodes.txt.gz',
header = F,data.table = F )
head(cl)
rl=fread('2022_SCI_GSE184370_Nature_data/GSE184370_features.txt.gz',
header = F,data.table = F )
head(rl)
#整合矩阵信息
rownames(mtx)=rl$V1
colnames(mtx)=cl$V1
#创建seurat对象
sce.all = CreateSeuratObject(counts = mtx ,
min.cells = 5,
min.features = 500 )
#整理分组信息
as.data.frame(sce.all@assays$RNA@counts[1:10, 1:2])
head(sce.all@meta.data, 10)
table(sce.all@meta.data$orig.ident)
library(stringr)
phe=str_split( colnames(sce.all),':',simplify = T)
head(phe)
table(phe[,1])
sce.all$orig.ident = phe[,1]
library(stringr)
phe=str_split( sce.all$orig.ident ,'-',simplify = T)
head(phe)
table(phe[,1])
table(phe[,2])
sce.all@meta.data$group=phe[,1]
head(sce.all@meta.data)
table(sce.all@meta.data$group)
table(sce.all@meta.data$orig.ident)
然后对读取进来的数据进行质控、harmony整合以及单细胞细分亚群定义等。
单细胞降维聚类分群
首先使用单核RNA测序(snRNA-seq)来分析小鼠的腰椎，从82,093个细胞核中获得了高质量的转录组，这些细胞核均匀分布在所有8种条件下的24只小鼠中。
无监督聚类识别出小鼠脊髓的所有主要细胞类型
然后对20,990个神经元进行第二轮聚类，确定了36个表达经典标记基因的神经元亚群。基于经典背侧和腹侧标记基因的表达，发现脊髓神经元明显分离。
文中的分类概括了已知的脊髓神经元亚群的等级组织
将单细胞图谱绘制到脊髓的细胞结构上，然后利用空间转录组学来解决基因表达在腰椎EESREHAB关键特征中的空间分布。
文章小结
- 在神经康复(EESREHAB)过程中，腰脊髓时空硬膜外电刺激(EES)恢复了9例慢性脊髓损伤患者的行走功能。这种恢复包括行走时腰椎神经活动的减少。
- 文章假设，这种意想不到的减少反映了特定神经元亚群的活动依赖选择，这对脊髓损伤后患者行走至关重要。
- 为了识别这些假定的神经元，模拟了小鼠EESREHAB的技术和治疗特征。并且对这些小鼠的脊髓应用了单核RNA测序和空间转录组学来绘制瘫痪恢复的空间分辨分子图谱，使用细胞类型和空间优先级来识别参与步行恢复的神经元。
腾讯云开发者
