为了构建神经典型的成年人脑的脂质组图谱,作者研究了从四个认知健康的成年人解剖获得的75个解剖学上和功能上不同的区域中的脂质组组成。除人类外,作者还评估了3只成年猕猴(38个脑区)脑脂质组(图1a)。
对人体样本的非靶向分析产生了使用离子片段化注释的419种脂质的强度,其中包括与LIPID MAPS对应的21种脂质类别(图1b)。对不同区域的样本点按种属和技术进行t-SNE聚类,不同技术得到的脑区脂质组聚类趋势一致(图1e)。与随机区域配对相关性相比,大脑区域之间的标准化脂质强度差异在技术和物种之间呈显著正相关,表明脂质组分析方法的稳健性和再现性(图1f)。
作者评估了人脑区域的脂质丰度变化与其结构和功能属性之间的联系。这些差异可能对脑区细胞膜流动性或与PUFA相关的生理功能产生重要影响(图2a、b)。
根据结构磁共振成像技术(Structural Magnetic Resonance Imaging,sMRI)(T1w/T2w图像数据)确定的相对髓磷脂含量,对髓磷脂和脂质组主成分进行了相关性分析,相关系数分别为0.78(人)和0.77(猴)。表明在人和猴中,髓磷脂含量与脂质组的分布存在显著相关,394种脂质能够稳定地归入五种模式类别中,说明不同物种间的相关性良好(图3i)。两个物种的类别内脂质强度谱呈正相关且显著,myelin+脂质显示出最高的一致性(图3j)。
在myelin+脂质中,5种脂质过量。myelin-脂质中LPC和PE过量,以及维持基本功能的脂质-FA过剩。myelin-脂质在PE和PE-P中倾向于含有PUFA残基,PE-P残基链较长,而在PC中较短。维持基本功能的脂质作为一个类别,包含了PUFA和短FA。可预测膜流动性的变化,myelin-脂质流动性最强,而myelin+流动性最弱。实验上,进一步验证了类别之间的预测差异,使用飞行时间二次离子质谱法(TOF-SIMS)直接观察与代表人类脑切片中脂质类别的脂质头群对应的分子离子(图4b-e)。
之前对小鼠脑原代细胞培养物分析表明,主要神经细胞类型之间存在实质性的脂质组差异。作者利用15个标记基因的mRNA表达分析了6种主要神经细胞类型的相对比例,评估人脑中不同细胞类型的脂质组(图5a)。大多数与细胞类型相关的myelin+脂质与OD-少突胶质细胞标志物谱相关性最好。myelin-脂质的强度与In-抑制性和Ex-兴奋性神经元标志物的表达谱最相关(图5b、c)。为验证主要神经细胞类型的脂质分配,比较人脑脂质和已发表的小鼠脂质组数据,发现两个物种的脂质组变异谱之间存在明显和显著的相似性(图5d);PE和HexCer与特定大脑细胞类型有显著且特异的关联,且在人和鼠中一致。验证了这两种脂质在主要神经细胞类型上的分配在人类和小鼠之间是保守的(图5e、f)。作者使用了转基因小鼠(锥形神经元可被荧光标记)。将标记的锥形神经元和未标记的细胞从大脑中分离出来;结果显示,与未标记细胞相比,标记的神经元细胞中HexCer和PE显著富集。
大脑区域间信号处理的层级结构(HR)分4个级别(图6a)。随HR提升,脂质组成差异显著。发现随着层次升高,脂质组成发生变化(图6b、c)。HR-脂质在myelin-中的比例较高,富含PC和PUFA,特别是含有6个双键的ω-3 DHA(图6d、e)。功能性脑连接性(FC)数据反映了静息时大脑区域的相关活动及功能网络的拓扑结构。功能磁共振成像(rs-fMRI)显示了大脑不同区域活动的相关性(图6h、i)。FC的PC1矩阵与脂质强度PC2矩阵的主要趋势显著正相关,大脑脂质组成与FC相关联(图6i)。myelin+与FC显著相关,反映了活动同步网络中区域更好的物理连通性(图6j)。硫酸酯、己糖神经酰胺和甘油二酯在myelin+脂质中富集,与FC的相关性显著高于检测到的大部分脂质(图6k)。