2025年8月18日，《自然-神经科学》发表的一项研究，首次在单细胞水平系统揭示了胚胎期小鼠小脑浦肯野细胞（PC）的分子多样性图谱。研究发现，胚胎期小脑中至少存在11种分子特征各异的PC亚型，其空间分布模式预示了成年小脑的纵区条纹和叶状结构。尤为重要的是，研究揭示了转录因子Foxp1和Foxp2通过组合表达的方式调控PC亚型的分化，其中Foxp1阳性的PC亚型对于小脑半球的形成至关重要，其数量在从鸟类到人类的演化过程中显著增加，为理解小脑演化及FOXP相关神经发育障碍提供了全新视角。

小脑是大脑中负责运动协调、学习及认知功能的关键结构。尽管其皮层具有高度均一的细胞构筑，但却被精细地划分为多个功能特异性的区域。这种“模块化”的架构基础，被认为是小脑皮层唯一的输出神经元——浦肯野细胞（PC）的分子异质性。然而，胚胎期究竟存在多少种PC亚型？它们如何被分子程序所驱动？这些早期“蓝图”又如何影响小脑的形态构建和演化？这些问题长期悬而未决。

来自美国康涅狄格大学医学院的研究团队，利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）和一种创新的空间映射技术，对上述问题进行了系统性解析。

胚胎PC图谱：至少11种分子亚型及其空间布局

通过对胚胎期（E16.5-E18.5）小鼠小脑进行scRNA-seq分析，研究者从约1,500个Foxp2阳性的PC中识别出11个分子特征显著不同的PC亚型（PC1-PC11）（图1b-d）。这些亚型的差异主要由钙黏蛋白超家族等细胞表面黏附分子所定义，暗示它们可能具有不同的连接特异性。

为了解决scRNA-seq丢失空间信息的固有缺陷，研究者开发了一种名为scANKRS的创新方法（图2a,b）。该方法通过循环免疫荧光（CycIF）在连续组织切片上检测数十种关键调控蛋白，再将scRNA-seq定义的亚型身份“投射”回其原始空间坐标，最终三维重建出各PC亚型在胚胎小脑中的精确分布。

结果显示，这些PC亚型并非随机分布，而是形成离散的、沿特定轴线排布的细胞簇（图2c,d）。至关重要的是，通过将这些胚胎PC亚型与成年小鼠PC的单核测序数据及经典的小脑纵区标志物（如Aldoc）进行对比，研究者发现（图3）：

• 胚胎蓝图预测成年架构：胚胎期PC亚型的空间分布模式，精准地预示了成年小脑经典的Aldoc+/−纵区条纹的排列。

• 亚型决定叶区命运：特定的胚胎PC亚型与成年小脑的特定小叶区域（如PC1对应半球侧部的Crus I/II和旁正中小叶）存在明确的对应关系。

关键分子调控：Foxp1与Foxp2的协同“代码”

是什么分子程序驱动了PC的多样化？研究者发现，三个Foxp家族转录因子——Foxp1、Foxp2和Foxp4——在11种PC亚型中呈现出独特的组合表达模式（图4a,b）。通过在PC中特异性敲除这些基因，研究揭示了它们的关键功能：

• Foxp2是半球形成的“主控基因”：在PC中条件性敲除Foxp2，导致小脑半球显著减小，而中线蚓部相对完整。Foxp1和Foxp2双敲除（cKO） 则导致小脑半球几乎完全消失（图4f-i,n,o）。

• Foxp1调控侧部区域：单独敲除Foxp1虽未消除半球，但导致其最外侧区域（如旁绒球）的结构异常和特定条纹增宽（图5i-k）。

• 下游神经环路退变：Foxp2敲除小鼠中，负责向小脑半球PC提供输入的下橄榄核主核（PO）和背侧副核（DAO）神经元发生进行性凋亡，这从功能上印证了半球区域身份的丧失（图5a-e）。

• 精准调控PC亚型命运：scANKRS分析证实，Foxp2敲除导致PC1和PC7亚型急剧减少或消失，而PC9和PC11亚型则异常扩增（图6a-e）。这种亚型组成的改变，精确对应了后续观察到的半球体积减小和纵区条纹模式的异常（图6d'）。

这些结果表明，Foxp1和Foxp2通过组合表达构成了一套“FOXP代码”，协同调控PC的多样化，进而决定了小脑皮层的区域特性和形态发生。其中，PC1亚型的正常发育是小脑半球形成的绝对前提。

演化视角：PC1的扩增与小脑半球的崛起

小脑半球是哺乳动物（尤其在灵长类中）显著扩张的结构，与高级认知和情感功能密切相关。研究者进一步探索了PC1亚型在演化中的角色：

• 跨物种比较：通过分析已发表的人类胎儿小脑scRNA-seq数据以及自行采集的鸡胚小脑scRNA-seq数据，研究者发现：PC1亚型的相对丰度，在鸡（半球极小）、小鼠和人类（半球极大）中呈现逐级递增的趋势（图7a,h）。

• 人类PC1的扩张：在人类胎儿小脑中，FOXP1+的PC广泛分布于膨大的小脑半球外侧区域（图7b,c）。

• 鸡胚PC1的稀缺与特殊位置：在鸡胚中，仅能检测到极少数类似PC1的细胞，且它们不位于主PC层，而是“滞留”在PC层下方（图7f,g，补充视频3）。EdU出生日期标记实验表明，这并非由于其产生时间不同，而是反映了它们独特的迁移特性。

这强烈提示，PC1亚型在演化中的扩增，可能是驱动小脑半球形成和扩张的关键细胞学基础。

总结与展望

这项研究首次从单细胞精度描绘了胚胎小脑PC的分子多样性图谱及其空间架构，并确立了Foxp1/Foxp2组合代码作为调控PC多样化和小脑形态发生的核心分子机制。其核心贡献在于：

1. 提出“FOXP代码”假说：揭示了转录因子的组合表达如何驱动神经元亚型的分化，并最终塑造脑区的宏观结构。

2. 连接发育、演化与疾病：将PC1亚型确立为小脑半球发育和演化的关键“种子”细胞群。鉴于FOXP1和FOXP2基因突变与人类自闭症、言语障碍等神经发育疾病密切相关，本研究发现小脑半球（涉及认知情感功能）的发育异常可能是这些疾病的重要神经基础。

未来的研究可进一步探索PC1亚型如何通过表达特定的细胞表面分子来吸引正确的输入纤维（如下橄榄核神经元轴突），并发出正确的输出指令，从而构建完整的“半球”功能模块。

参考文献：
Nat Neurosci 28, 2022–2033 (2025).

相关阅读：

• Kozareva, V. et al. A transcriptomic atlas of mouse cerebellar cortex comprehensively defines cell types. Nature 598, 214–219 (2021).

• Sepp, M. et al. Cellular development and evolution of the mammalian cerebellum. Nature 625, 788–796 (2024).