人类皮质发育是一个经过精心调控的过程，需要在产前数月和产后数年中展开。这一过程包括各种细胞谱系的发生、分化和成熟，这些细胞谱系对于大脑的复杂结构和功能至关重要，并受到神经发育条件的影响。

     在题为Single-cell analysis of prenatal and postnatal human cortical development的文章中，Arnold R. Kriegstein研究团队利用基于MERSCOPE平台的MERFISH技术绘制了特征神经元的发育空间图谱。

  这篇文章分析了106名供体从出生前到出生后发育阶段的70多万个snRNA-seq图谱和单核染色质可及性数据，确定了与特定皮层细胞类型的发生相关的发育程序，包括兴奋性神经元、中间神经元、胶质细胞和脑血管的亚型，定义了增强子基因调控网络和转录因子。基于MERSCOPE平台通过跨越三个发育时间点的140个谱系特异性基因，将发育过程中注释细胞类型的空间图谱可视化，绘制了一个全面的皮层谱系的转录组图谱。结果显示，在妊娠中期，Ex1、Ex2 和 Ex3 轨迹分支中的一大类兴奋性神经元仅限于特定的皮质层。此外，L4神经元的几种标记物，如海马钙蛋白 (HPCA) 和gremlin 2(GREM2)，在妊娠中期以层限制的方式表达，表明L4神经元身份在发育早期就开始被指定。大多数兴奋性神经元的层身份在出生时就出现了。

    同时，通过将研究结果与人类脑部疾病的遗传风险因素相比较，研究人员还确定了最易受不同脑部疾病（尤其是自闭症）遗传损伤影响的皮层细胞类型和细胞系。在与神经发育障碍风险相关的细胞谱系和发育阶段观察到谱系特异性基因表达程序在女性细胞中上调，特别丰富了自闭症的遗传风险因素。这一发现表明，男性对自闭症患者单倍体功能不全的易感性可能增加，这可能为观察到的男性自闭症发病率增加提供了合理的解释。

图1.皮层谱系的转录组图谱。(A)本研究中使用的出生前到出生后发育阶段的不同组织样本概述。（B）140个谱系特异性基因的空间转录组学分析，显示了发育过程中注释细胞类型的空间图谱。GW22，妊娠22周；2wk，产后2周；25yo，25岁；PFC，前额叶皮层；Ex，兴奋型径向神经胶质。

    使用单细胞转录组分析的研究为人脑中基因定义的细胞类型提供了新的见解。然而，对多模式细胞特性（例如电活动和形态）的更深入理解仍然寥寥，这对于理解不同细胞类型在认知功能和疾病中的作用至关重要。

   在名为Signature morphoelectric properties of diverse GABAergic interneurons in the human neocortex一文中，Jonathan T. Ting研究团队利用基于MERFISH的MERSCOPE平台对GABA能神经元进行了空间上更为细致的亚型区分，使用多模式细胞特性对细胞进行更为精细的划分。

     这篇文章使用快速GABA能神经元病毒基因标记加上人脑切片中的 Patch-seq（膜片钳电生理学加单细胞 RNA 测序）来可靠地定位和分析 GABA 能神经元亚类和个体转录组类型。阐明了PVALB和SST亚类之间的转变，揭示了丰富的转录组类型内的形态异质性，鉴定了灵长类特化双花束细胞 (DBC) 的差异空间类型，并揭示了同源小鼠和人类新皮质 GABA 能神经元之间的细胞差异类型。这些结果强调了多模式表型表征对于完善转录组细胞类型分类法以及了解人脑细胞类型的保守和专门细胞特性的重要性。

       Double bouquet cells（DBC）是SST CALB1类型中的一种特殊神经细胞，它们在灵长类动物中具有特化性。这些细胞的形态类似马尾，上下延展着狭窄的突触束。尽管此形态在学术领域被普遍接受，但DBC的分子标记以及转录组类型的确定还未完全明确。研究发现，传统的DBC形态与两种紧密相关的转录组类型匹配，即SST CALB1和SST ADGRG6。这两种类型的DBC都有马尾形的突触侧枝，延伸至L5层，并经常上达L1层。这些细胞通常包含多个下行的突触束与短的垂直分支。除了其显著的狭窄的突触标志之外，研究还发现它们的树突细而长，呈双束状或多极状。

     通过MERFISH分析显示，SST CALB1转录组类型主要局限于L2层，而SST ADGRG6主要局限于L3层。这与Patch-seq实验中的体细胞分布数据一致。研究还发现它们的突触峰值分布有轻微的变化，SST CALB1的突触更加靠近表层。

    考虑到DBC在这两种转录组类型中均有发现，研究者进一步探讨如何对DBC进行亚型划分。研究人员发现无论是DBC标记基因，还是电生理差异，亦或是形态学差异，都不能对DBC属于SST CALB1还是SST ADGRG6进行区分。唯一的差异是：它们占据了皮质深度中不同的层次位置。简而言之：MERFISH帮助研究人员将两种极为相似的细胞亚型，依靠其空间分布差异分开了。

图2.人类DBCs基于单细胞测序分型的同一性、空间分布和多模式特性。(A)推测的DBC形态定位于转录型SST CALB1或SST ADGRG6，并显示与平均皮质模板对齐。

形态右侧的直方图按皮质深度显示平均树突(较深的颜色)和轴突(较浅的颜色)分支长度。(下)伴随每个重建的是电压响应1 S长的电流阶跃到a-90 pA和每个相应的dBc的流变基+80 pA。(B)MERFISH揭示了SST CALB1和SST ADGRG6的空间分布。(C)SST CALB1和SST ADGRG6 t型的四个特定电生理特征以框图或散点图显示，假定的DBCs以绿色突出显示。(D)转录组(分离到SST亚类)、电生理学和形态学的UMAP表示。SST CALB1和SST ADGRG6 t型分别为橙色和棕色，定性定义的推定DBCs以绿色突出显示。(E)63×MIP插图，对应于图2A，显示轴突、马尾束和轴突。

    MERFISH(Multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization)即多重荧光原位杂交技术，突破了传统的smFISH一次检测3-5种基因的局限，通过组合标记、超高分辨率顺序成像，可同时检测多至1000种基因和6种蛋白的表达和空间定位，得出组织全景图片、细胞图片、检测到的所有转录本、显示每个转录本在细胞中的空间分布并对其定量，实现真正意义上的单细胞原位空间转录组研究，是单细胞测序技术不可或缺的验证手段，同时更加擅长检测到低表达丰度的转录本、发现新的细胞亚型、揭示微环境等。MERFISH技术诞生于美国哈佛大学庄小威院士实验室，在空间转录组研究领域是不可或缺的研究手段。

    2021年，Vizgen率先将整合了MERFISH与超分辨率成像技术的分析系统MERSCOPE™推向市场。基于核心技术MERFISH技术，MERSCOPE™可在1天内对1cm²的组织进行超分辨成像，分辨率100nm，定位单细胞中RNA的空间分布以及定量基因表达。实现真正意义上的原位单细胞空间转录组分析，让基因的表达和定位可视化，推动基因组学的研究步入下一代。