GABA能神经元是神经回路的重要组成部分。它们在人脑中具有较高的丰度和多样性，与人类认知能力的提升有关。然而，仍不清楚人脑中GABA能神经元持续生成的机制。
2025年8月，来自美国加州大学旧金山分校的Xianhua Piao研究团队合作在期刊Nature（IF: 48.5）上发表了一篇题为“Microglia regulate GABAergic neurogenesis in prenatal human brain through IGF1”的研究文章。本研究利用新开发的神经免疫人类内侧神经节隆起类器官揭示了小胶质细胞衍生的胰岛素样生长因子1（IGF1）在促进人脑神经祖细胞增殖和 GABA能神经元发育中的重要作用。
在成年人的大脑新皮层中，大约有25-50%的神经元是含γ-氨基丁酸（GABA）的抑制性中间神经元。它们是大脑中主要的“刹车”信号来源，帮助维持兴奋与抑制的平衡，并保持大脑的功能节律。其异常与自闭症、癫痫和精神分裂症等疾病有关。在胎儿期，这些神经元主要来源于前脑的内侧神经节隆起（MGE），并在孕中晚期活跃增殖和迁移，形成持续增殖的细胞群体。小胶质细胞是大脑中的主要免疫细胞，起源于卵黄囊，在胎儿早期就进入大脑。它们不仅参与免疫，还在神经发生、血管生成、神经元存活、髓鞘形成、突触生成和突触修剪中发挥作用。然而，小胶质细胞是否以及如何影响人类 GABA 能性神经元的发育仍然不清楚。作者研究发现在孕中晚期，人类MGE的内外侧室下区聚集了小胶质细胞，它们靠近径向胶质细胞和位于细胞巢边缘、正在增殖的神经前体细胞。进一步利用人类MGE神经免疫类脑器官（MGEOs）探究了小胶质细胞分泌的IGF1在人体大脑发育中发挥重要作用和机制。
1. hMGE中的小胶质细胞分布
研究人员利用免疫荧光技术观察来自孕（GW）15周到出生后3周的人类大脑样本进行了观察（图1a-d）。在孕15-17周时，小胶质细胞在hMGE内部分布稀疏（图1a,d）。但到了GW22-25，它们明显集中在内侧和外侧室下区（iSVZ和oSVZ）（图1b,d）。其中，oSVZ的小胶质细胞主要分布在细胞巢（DENs）的外围（称为oDENs），像是包围着DENs的外缘，而只有少量细胞伸展进DENs内部（图1b,d）。到了GW39到出生后3周，小胶质细胞在iSVZ和oSVZ 的密度依然很高，并且相比孕晚期，更多的小胶质细胞已经进入DENs内部（图1c,d）。GW22-25时小胶质细胞大多位于增殖祖细胞细胞丰富的区域（图1e-i），其中不少直接嵌在 Ki-67+细胞群中，尤其是在iSVZ和oSVZ的oDENs区域（图1e,f）。三维重建发现越靠近小胶质细胞的区域，Ki-67+细胞比例越高（图1g,j）。进一步分析显示，这些靠近小胶质细胞的Ki-67+祖细胞多为SOX2+细胞，包括SOX2+DCX−的径向胶质细胞和SOX2+DCX+的神经母细胞（图1e-g,k）。小胶质细胞常与NESTIN+径向胶质纤维紧密接触，并沿着这些纤维分布（图1l）。在 iSVZ中，小胶质细胞多为分枝状，穿插在多条NESTIN+纤维之间（图1l）；而在oSVZ，它们则呈极化形态，与NESTIN+纤维方向一致，并紧密贴合（图1l）。相比之下，在小鼠 MGE 中，小胶质细胞在胚胎第14.5天和16.5天时，在脑室区（VZ）的密度要高得多，这与小鼠VZ内高密度的活跃增殖祖细胞相对应。这种人鼠之间的差异提示，抑制性中间神经元的发育机制可能存在物种特异性。
图1
2. 人类大脑发育过程中的细胞通讯
研究人员利用基于10X Genomics 的snRNA-seq对人类从胎儿晚期（GW22-30）到围产期（出生后2-3周）的脑组织进行了分析（图2a）。样本涵盖了神经节隆起、相邻的室周区以及含成熟中间神经元的皮层区域（图2a）。研究团队利用表面标志物全面捕获不同类型的细胞（图2b）。通过PCA和UMAP（Seurat v.5）进行聚类分析，识别出11个主要细胞群（图2c）。研究进一步利用受体-配体互作数据库预测细胞间通讯，并比较胚胎期与围产期的差异。结果发现，IGF1-IGF1R是统计学上最显著的配体-受体对，在胚胎期表现最为突出（图2d）。进一步分析显示，IGF1主要在胚胎期由小胶质细胞分泌，但在围产期部分由中间神经元产生（图2e,f）。亚群分析识别出径向胶质细胞、MGE神经母细胞、MGE来源的年轻与成熟中间神经元，以及尾部神经节隆起（CGE）来源的年轻与成熟中间神经元等亚型（图2g）。其中IGF1主要表达于成熟中间神经元，而在前体细胞（径向胶质与MGE神经母细胞）中几乎检测不到（图2h）。相应地，IGF1R在胚胎期高水平表达于中间神经元，尤其是前体和年轻中间神经元（图2e,f,g,h）。免疫组化进一步验证，在GW22-25的hMGE中，IGF1特异性表达于小胶质细胞（图2i），而 IGF1R 广泛分布于前体细胞（图2j）。综上所述，这些结果表明，在人类MGE发育过程中，小胶质细胞是IGF1的主要来源，能够通过IGF1-IGF1R通路支持中间神经元的增殖与发育。
图2
3. HPSC衍生的MGEO再现了hMGE的发育过程
为了研究小胶质细胞及其分泌的IGF1在人类MGE发育中的作用，研究人员利用人类多能干细胞（包括hiPSCs和hESCs）构建了腹侧类器官，并称为MGEOs（图3a）。这些MGEOs 在6周时形成了“室管膜区样花环结构”（图3b），并依次表达MGE前体和中间神经元的标志物，表明其具有MGE特征并能产生GABA能中间神经元（图3c-f，补充图5a-c）。Ki-67+ 细胞既分布在花环中心，也存在于边缘及邻近的 SVZ 样区域（图3b，补充图5d），其中包括SOX2+DCX−径向胶质样细胞和SOX2+DCX+神经母细胞，重现了发育中hMGE的空间格局（补充图5d）。在24周的MGEOs中还能观察到类似DEN的DCX+神经母细胞簇（图3g），说明 MGEOs可作为研究hMGE发育的模型。
由于类器官中本身不含小胶质细胞，研究人员在4周时将人类胚胎干细胞（hESC）诱导的小胶质细胞（iMG）移植入MGEOs，以模拟胎儿大脑在GW4.5时出现小胶质细胞的情况（图3a）。在培养液中补充CSF1、IL-34 和TGFβ1能显著提高iMG的存活率（图3h,i）。移植后1天，iMG即进入类器官，5天后到达中心，并在 8-14 天时在花环样增殖中心周围明显聚集（补充图5e）。它们倾向于避开花环本身，而积累在周围的SVZ样区域，并与Ki-67+、SOX2+前体细胞及NESTIN+纤维紧密相邻（图3j,k；补充图5f-j）。这些iMG在发育轨迹和异质性上与人类胚胎小胶质细胞相似，并表达 CSF1R、CX3CR1、P2RY12及ADGRG1等标志基因（图3l,m）。形态上，移植的iMG体积更大，但分枝情况与人类GW23的小胶质细胞相似。值得注意的是，hMGE 和 MGEOs 中的小胶质细胞都表现出在 SVZ 和增殖区的偏好性分布。由于这一阶段的小胶质细胞增殖能力较低，研究团队推测这并非由其自我增殖导致。为验证是否是前体细胞增殖驱动小胶质细胞趋化，他们使用Notch通路抑制剂 DAPT阻断增殖，结果发现增殖及花环结构均消失，iMG在类器官内均匀分布（图3n-q）。这说明小胶质细胞很可能是受到增殖性前体细胞的信号吸引，迁移并聚集到SVZ 区域。
图3
补充图5
4. 小胶质细胞促进MGE神经发生
为了研究小胶质细胞在中间神经元发育中的作用，研究人员对移植或未移植iMG的6 周龄MGEOs进行了scRNA-seq（图4a,b）。结果显示，移植iMG的MGEOs中径向胶质细胞比例和Ki-67+细胞比例显著增加（图4c,d），提示小胶质细胞可促进前体细胞增殖。差异基因分析发现，上调基因富集于有丝分裂相关通路，下调基因则与氧化应激相关（图4e,f）；其中径向胶质细胞的上调基因显著富集于IGF1R下游信号通路（图4e,f），提示IGF1-GF1R在这一过程中发挥作用。免疫组化进一步验证，移植iMG的MGEOs中增殖的MGE前体数量明显增加（图4g,h），包括径向胶质细胞（Ki-67+SOX2+DCX−）和神经母细胞（Ki-67+SOX2+DCX+）（图4i,j）。利用NKX2.1-GFP hESCs构建MGEOs并移植tdTomato标记的iMG，捕捉到小胶质细胞与NKX2.1+前体直接接触后其分裂的动态过程（补充图9）。在更长培养时间（18-32周）的MGEOs中，iMG移植显著增加了NeuN+GAD67+成熟中间神经元的密度（图4k,l），并提升了NeuN+SST+亚型及NeuN+PV+亚型的比例（补充图10）。综合来看，这些结果表明小胶质细胞能够促进MGE来源中间神经元的增殖和生成。
图4
补充图9
补充图10
5. 小胶质细胞IGF1促进MGE增殖
研究人员利用神经免疫MGEO模型，进一步验证小胶质细胞是否通过IGF1影响hMGE 的发育（图5a）。结果显示，IGF1特异性表达于iMG，而其受体IGF1R在培养6周的MGEOs 的NESTIN+径向胶质细胞中高水平表达（图5b,c），这一模式与hMGE中一致（图2i,j）。功能实验表明，移植iMG可显著增加BrdU+NKX2.1+前体细胞的密度（图5d,e）；外源IGF1能在未移植iMG的类器官中模拟这一效应，而中和抗体可阻断该作用（图5d,e）。利用CRISPR-Cas9 敲除IGF1的hESC进一步证实，只有正常iMG能促进前体增殖，IGF1缺失的iMG无此效应，而补充重组IGF1可挽救该表型（图5f,g；补充图12）。
在皮层神经免疫类器官中，移植iMG或添加IGF1同样增加了PAX6+BrdU+神经前体的数量，而抗IGF1处理则降低其比例（补充图14），表明IGF1也能促进皮层径向胶质细胞的增殖和神经发生。跨物种分析发现，人类小胶质细胞在MGE中分泌IGF1，而小鼠MGE中未检测到 IGF1 蛋白（补充图15a-c）。条件性敲除小鼠小胶质细胞中的Igf1并未影响胚胎期MGE 的前体增殖（补充图15d-f）。结合两种物种在小胶质细胞与前体细胞空间分布上的差异，表明小胶质细胞通过IGF1调控MGE前体增殖是人类特有的机制。
图5
补充图12
补充图14
补充图15
本研究揭示了小胶质细胞在hMGE及其GABA能中间神经元发育中的关键作用。本研究发现，小胶质细胞在hMGE中呈现特异性分布模式，与增殖前体紧密相互作用，并通过IGF1-IGF1R 通路促进前体细胞增殖，而在小鼠MGE中，微胶质细胞数量更多但IGF1表达极低，对前体增殖也不依赖IGF1，提示其作用存在进化特异性。进一步研究发现，胚胎期小胶质细胞是IGF1的主要来源，随发育进程IGF1表达下降并逐渐转由成熟中间神经元维持，表明其在神经发生中存在细胞来源的动态转换。本研究在神经免疫类器官模型中证实，小胶质细胞通过分泌IGF1促进径向胶质细胞增殖，构成了重要的神经免疫机制。与小鼠相比，人类小胶质细胞在皮层发育中的分布与功能仍不完全清楚，需要更多研究。此外，IGF2在人类主要由内皮细胞产生，提示其可能也参与神经发生，但不依赖微胶质-前体轴。本研究建立的神经免疫MGEOs能较好模拟hMGE的发育轨迹及小胶质细胞的作用，为探索微胶质调控人脑发育提供了可靠平台。结果对理解人脑GABA能中间神经元的生成机制及与小胶质/中间神经元功能障碍相关的神经精神疾病病因具有重要意义。结合流行病学和动物研究，儿童自闭症患者脑脊液IGF1平下降，以及外源IGF1干预可缓解症状的证据，本研究提示小胶质细胞来源的IGF1缺乏可能导致人脑中间神经元发育不足。
参考文献
Yu D, Jain S, Wangzhou A, et al. Microglia regulate GABAergic neurogenesis in prenatal human brain through IGF1. Nature. Published online August 6, 2025. doi:10.1038/s41586-025-09362-8