An atlas of cortical arealization identifies dynamic molecular signatures

脑发育过程发生一系列调控因子的梯度变化，但是这些梯度的调控因子所导致的molecular pattern是不清楚的。作者收集了不同脑区（皮层，丘脑等）进行了单细胞测序，以完成对molecular pattern的刻画。

Atlas of human brain development

• 数据分布：10 regions（of cerebrum），6 areas（of cortex）， 698,820 high-quality cells。
• 组织由同一个人在立体镜下解剖，不同区域的组织不可避免会携带周围的组织。
• 所有细胞中都存在region-specific gene。但是在脑发育早期（first trimester），并没有反映脑区特殊结构的region-specific gene。
• 聚类的主要依据是cell type，并没有根据脑区进行聚类。但是在不同脑区中存在related-region cluster。
• 对neocortex, allocortex and proneocortex的细胞进行单独聚类，发现region是cluster的主要动力。

Area-specific markers and gene score calculations

• FindAllMarkers（）：找到每个个体的细胞类型于剩余其他细胞类型之间的差异基因。
• gene score：$ logFC \times \frac{percent\ of\ cell\ cluster}{percent\ of\ all\ cluster} $

Cell types in the neocortex

• neocortex的发育过程，是存在protomap，还是protocortex
• 已经知道：PFC和V1的neuron 细胞是不同的，但是其他细胞没有区别。
• cluster层次聚类表明：每个细胞类型都包含多个脑区（of neocortex）。

Constellation plots

• node表示每个cell cluster，size of node 表示细胞数目，location of node是每个cluster在UMAP上的中心。
• edge计算方式：把一个cluser中的每个细胞在PCA空间中的15个最近邻细胞合并，去重复，看这个邻居细胞集合中属于某个cluster的比例，比例超过5%画一条边，边的宽度与比例成正比。
• 刻画cluster之间的相似性

Quantification of constellation plots

• connectivity index计算：计算每两个细胞类型（region type）之间的edge连接数与fraction of edge的平均值的乘积。

Module eigengene calculations

• 选择感兴趣的gene或者根据上述方法找到specific gene，对每个group内的细胞随机抽样，样本数为10000，然后对矩阵执行WGCNA的moduleEigengene（）。

Dynamic areal signatures

• 在从RG到Neuron的发育过程中，是否在不同区域存在不同的表达谱。
• 和以往研究一致：Neuron 相关的gene的 area-specificity 比RG更高。但RG的数量更多。
• constellation plot 结果显示：各个脑区（of neocortex）的RG连接紧密（表达相似度高）；IPC更倾向于同Neuron连接，但同一脑区之间的连接更紧密。在不同时间段，不同细胞类型上，PFC和V1都表现出相互排斥的现象。
• RNA velocity分析，筛选每个脑区（of neocortex）分化过程中的dynamic genes。检测这些gene在不同脑区发育过程中随时间表达（eigengene衡量）变化。发现与V1相比，PFC是滞后的。
• areal marker genes有很多是转录因子。
• 可以说明存在一个部分protomap。

In situ validation of neuronal markers

• 使用smFISH检测excitatory neuron的某些marker。
• 使用cell type marker genes (SOX2, SATB2 and BCL11B) to identify the ventricular zone and cortical plate。

Discussion

• We find that across major brain structures, regional identity is highly pervasive among distinct cell types. By contrast, areal identity in the neocortex is highly specific and restricted to individual cell types.
• 在不同时间点，不同layer，不同细胞类型之间的区域特异性gene都有所不同，又有所交集。
• 表明在不同脑区之间，某些细胞类型在发育早期就形成了。（protomap）