引言
神经科学正处于"分子清单"到"空间地图"的方法学拐点。过去十年，BICCN、Allen、SEA-AD 等大型图谱计划完成了人/小鼠/灵长类大脑的单细胞分类，识别出 100+ 种神经元与胶质亚型。然而，细胞身份的最终定义离不开其空间上下文——同一个皮层 L4 兴奋性神经元，在皮层柱顶部与底部可能执行截然不同的计算。空间组学通过原位捕获或原位测序，在保留组织结构的前提下测量数百至全转录组基因表达，正在系统性地回答三个根本问题："谁"在"哪里"、"为什么"在"哪里"、"什么时候"出现在"哪里"。
空间组学在神经科学研究中的优势
1.原位保留：终于不用"拆房子看家具"
传统scRNA-seq必须用酶把组织消化成单细胞悬液，神经元的轴突、突触、空间邻居关系全没了。空间组学的核心优势：在原位测量，保留组织结构 → 同一个细胞能看到它在皮层第几层、距血管多远、是否紧贴 Aβ 斑块。
2.亚细胞分辨率：分子能"贴"回突触
早期技术（10x Visium）一个 spot 含 10-30 个细胞，看不清单个神经元。新一代亚细胞技术（Stereo-seq、Visium HD ）把分辨率推到单细胞、亚细胞级别——RNA 转录本直接定位到突触前后膜、胞体、轴突的相对位置。
3.把"分子清单"变成"病灶地图"：从相关性走向空间因果
过去scRNA-seq告诉你"AD 里小胶质 X 上调了"，但它在 Aβ 斑块旁边 50 μm，还是 5 mm 外的健康皮层里？——这俩的生物学意义天差地别。空间组学把"上调"变成"定位"，疾病相关的细胞状态被直接锚定在病理结构上从"分子发生了什么"升级到"在哪个微环境里发生"。
4.稀有细胞类型"被看见"：小群体的存在成为证据
神经里有些"少而关键"的细胞：神经干细胞（成体脑 SVZ/SGZ 的放射状胶质）、边界相关巨噬细胞（BAM）、病灶处的克隆扩张 T 细胞、早期 AD 的"预警型少突"。scRNA-seq里这些小群体常被高丰度类型"稀释"，必须超大队列才能稳定捕获；空间组学哪怕一次切片，只要这张切片上"恰好"存在，就能直接看到这些稀有细胞，并定位它的微环境。
5.跨尺度拼接：把"nm突触"和"cm 脑区"焊起来
神经科学最大的痛点是跨尺度——分子、突触、环路、行为差着 9 个数量级。空间组学正在成为"跨尺度粘合剂"：
案例分享
案例一：
题目：整合单细胞与空间转录组学分析揭示ALS中由外周至中枢的免疫浸润与重编程
Integrated single-cell and spatial transcriptomic profiling in ALS uncovers peripheral-to-central immune infiltration and reprogramming
发表期刊：Nature Neuroscience
发表时间：2026年5月
影响因子：20
技术平台：10X scRNA-seq、bulk-RNA-seq、10X Visium CytAssist
研究背景：
肌萎缩侧索硬化症（ALS）作为一种致命的神经退行性疾病，其核心病理特征为运动神经元的进行性退化，尽管确切发病机制尚未完全阐明，但神经炎症已被证实是其发病机制中的核心环节。这种炎症反应涉及小胶质细胞激活、星形胶质细胞功能障碍以及外周免疫细胞向中枢神经系统的浸润，这些免疫驱动的过程通过中枢与外周免疫系统的复杂互作加剧了神经元损伤。然而，既往研究虽然识别了关键的炎症通路，但对于免疫激活与运动神经元病理之间的空间关系仍缺乏清晰认知，且未能充分解析散发性ALS（sALS）与C9orf72突变型ALS（C9-ALS）在炎症反应上的具体差异。
研究结果：
本研究通过对ALS患者外周血与脊髓组织的多组学整合分析发现：C9orf72重复扩增型ALS（C9-ALS）患者普遍存在外周免疫细胞C9orf72单倍剂量不足，且散发性ALS（sALS）与C9-ALS呈现亚型特异性单核细胞激活模式——快速进展sALS以CD16⁺单核细胞补体通路（C1QA/C1QB）与干扰素应答基因上调为特征，C9-ALS则以CD14⁺单核细胞模式识别受体（CLEC7A）与脂质代谢程序激活为核心；中枢层面脊髓是免疫浸润最严重的区域，表现为运动神经元与少突胶质细胞丢失、小胶质/巨噬细胞大量浸润，且免疫细胞负荷与疾病进展速度呈负相关；空间转录组进一步揭示脊髓前角存在补体激活与脂质编程髓系细胞的原位富集，这类活化髓系细胞与退变运动神经元及TDP-43病理灶紧密共定位，TDP-43功能障碍导致的STMN2错误剪接与补体基因表达、短生存期显著相关，最终证实外周免疫失调与中枢神经炎症通过补体-脂质轴协同驱动ALS异质性进展，为分层免疫治疗提供了精准靶点。
案例二：
题目：轴突内Eif5a的次精氨酸化修饰调控局部翻译并缓解FUS-ALS缺陷
Axonal Eif5a hypusination controls local translation and mitigates defects in FUS-ALS
发表期刊：Nature Neuroscience
发表时间：2026年1月
影响因子：20
技术平台：NanoString GeoMx DSP、10x Visium、smFISH、snRNA-seq
研究背景：
轴突中的局部蛋白质合成对神经元功能至关重要，但在神经退行性疾病中的失调机制尚不清楚。特别是肌萎缩侧索硬化症（ALS）中与RNA结合蛋白FUS相关的突变，虽已被发现会抑制轴突内的局部翻译并导致神经元缺陷，但其具体的分子机制，尤其是翻译机器本身在亚细胞层面的改变，仍未被阐明。
研究结果：
该研究利用空间转录组学技术发现，成年小鼠运动轴突中富集了大量与蛋白质翻译相关的转录本，且ALS相关的FUS突变会导致轴突中翻译机器组件（如核糖体蛋白和翻译因子）的mRNA和蛋白水平发生特异性失调。具体而言，FUS突变轴突中负责EIF5A蛋白活化修饰（hypusination）的关键酶DOHH及其修饰底物EIF5A显著减少，导致轴突内活性EIF5A水平下降。研究人员通过补充亚精胺（Spermidine）恢复了EIF5A的活化修饰，成功挽救了FUS突变引起的局部翻译抑制、轴突退化及神经元功能缺陷。此外，亚精胺在FUS及TDP-43突变的果蝇ALS模型中也表现出显著的神经保护作用，改善了生存表型。
案例三：
题目：空间转录组学揭示小鼠模型中驱动日本脑炎进展的以血管为中心的细胞相互作用
Spatial transcriptomics uncovers vasculature-centered cellular interactions driving Japanese encephalitis progression in a mouse model
发表期刊：Nature Communications
发表时间：2026年5月
影响因子：14.7
技术平台：Stereo-seq
研究背景：
日本脑炎病毒（JEV）是一种通过蚊子传播的神经侵袭性黄病毒，可突破血脑屏障（BBB）引发中枢神经系统感染。由于缺乏polyA尾部，JEV难以通过常规测序技术检测，且现有研究缺乏对感染后脑内细胞互作和空间病理的系统性解析。因此，亟需一种改进的空间转录组学方法来揭示病毒侵入机制及血管系统与免疫细胞的原位互作网络。
研究结果：
本研究利用改良的Stereo-seq空间转录组技术，构建了日本脑炎（JE）发病过程的高分辨率时空图谱，揭示了血管系统与免疫细胞互作驱动神经炎症的关键机制。研究发现，Ly6c2+单核细胞不仅是脑内最主要的病毒携带者和浸润免疫细胞，还是脑内干扰素-γ（IFN-γ）的主要来源，其分泌的IFN-γ加剧了血脑屏障的破坏；而脑血管内皮细胞在感染后会上调Ackr1等受体，通过与单核细胞的配体-受体互作（如CCL/CXCL-ACKR1轴）形成正反馈环路，进一步招募单核细胞并促进病毒扩散。这种“血管中心”的细胞互作导致了以脑膜为枢纽的强烈炎症反应和细胞焦亡/坏死性凋亡，同时病毒在脑实质内的扩散还导致了神经元功能基因（如Atp1a3）的下调和神经损伤。该研究不仅解析了JEV突破血脑屏障的“双重机制”，还为神经侵袭性病毒的治疗提供了新的潜在靶点。
案例四：
题目：空间转录组学分析揭示神经毒物多氯联苯（PCBs）对成年小鼠脑部的分子效应
Spatial transcriptomic profiling uncovers the molecular effects of the neurotoxicant polychlorinated biphenyls (PCBs) in the brains of adult mice
发表期刊：Molecular Psychiatry
发表时间：2026年6月
影响因子：10.1
技术平台：10X Visium、PCBs靶向代谢组
研究背景：
多氯联苯（PCBs）是一类具有持久性和生物累积性的合成有机化合物，虽已禁产，但因其在环境和人体组织（包括大脑）中的长期存在，以及与认知能力下降和阿尔茨海默病等相关痴呆症风险的关联而备受关注。流行病学研究提示环境污染物可能增加神经退行性疾病风险，且PCBs已在死后人脑中被检测到，但其对大脑功能和认知的具体影响机制尚不清楚。特别是，PCBs暴露如何影响与空间记忆巩固密切相关且易受神经病理影响的海马体和新皮层的基因表达，以及不同脑区对PCB诱导的神经毒性在分子层面的响应差异，仍有待深入研究。
研究结果：
该研究发现，成年雄性小鼠在暴露于模拟人类脑部污染特征的多氯联苯（HR-PCB）混合物后，出现了长期空间记忆缺陷，尽管其探索物体的总时间未受影响。通过空间转录组学分析，研究揭示了PCB暴露在海马体、新皮层、丘脑等五个脑区引发了复杂的区域特异性基因表达改变，其中丘脑的差异表达基因数量最多。分子机制上，研究发现PCB暴露导致了与突触可塑性及记忆相关的关键基因（如 Dpysl2 和 Tcf4）在海马体和新皮层中下调，同时诱导了参与解毒抗氧化的基因（如 Gstp1）广泛上调。网络分析进一步表明，这些转录组变化主要与在小鼠大脑中富集的高氯代PCB同系物有关。此外，生化实验证实PCB暴露破坏了血脑屏障的完整性，具体表现为紧密连接蛋白（Occludin和Afadin）的表达显著下调，这可能加剧了神经毒性风险。
案例五：
题目：自闭症发病机制的空间结构特征揭示了早期发育过程中的镶嵌式结构紊乱
Spatial architecture of autism pathogenesis reveals mosaic structural disarray during early development
发表期刊：Nature Communications
发表时间：2026年1月
影响因子：14.7
技术平台：MERFISH、bulk RNA-seq、WES、scRNA-seq、smFISH
研究背景：
自闭症谱系障碍（ASD）是一种具有高度遗传异质性和临床表型多样性的神经发育疾病，尽管已知其与上千个风险基因相关，但其在发育过程中如何导致病理生理变化并产生广泛症状差异的机制仍不清楚。既往研究多关注细胞比例变化或特定高风险基因，且由于无法直接研究产前人类胎儿大脑，领域内对ASD发病机制的空间组织层面影响知之甚少。虽然“汇聚假说”认为不同病因可能共享共同通路，但突变基因仅解释了部分病例，且ASD患者大脑皮层存在结构异常和紊乱的局部病灶，这提示需要更全面的模型来解析发病机制。
研究结果：
该研究利用患者来源的皮层类器官，揭示了自闭症谱系障碍（ASD）发病机制具有“空间镶嵌式紊乱”的特征。研究发现，尽管ASD患者的遗传背景各异，但其类器官普遍表现出放射状胶质细胞（RG）之间的细胞黏附信号受损，特别是整合素介导的信号通路下调，导致RG纤维结构完整性破坏。这种早期的结构缺陷进而引发了神经元迁移和分层的紊乱，表现为皮层板中深层兴奋性神经元与迁移中的兴奋性神经元混合分布。值得注意的是，这种紊乱并非在整个组织中均匀发生，而是以局部斑块（spatially mosaic）的形式存在，且不同患者的紊乱程度和分布各不相同。此外，研究还发现ASD类器官的发育时间进程存在异步性，尤其是伴有特定神经元亚群（ExN2）的患者表现出明显的发育延迟。这些结果表明，产前皮层发育过程中局灶性的结构紊乱和时间异步性，可能是导致ASD临床异质性的关键生物学基础。
总结
空间组学对神经科学而言，不是又一项"更快更准"的技术升级，而是一次认知框架的迁移：我们从"统计一堆细胞的平均行为"，走向"看见每一个细胞在它邻居里的故事"。这门"原位读地图"的能力，正在重新定义神经科学的问题边界——病灶是什么、什么是"微环境"、什么是"区域特异性"、什么是"时空动态"，都有了可量化、可定位、可重复的新答案。
