我们每一次伸手、每一个习惯性动作、每一份对奖赏的期待，背后都离不开大脑深部的基底节（basal ganglia）。它既是运动控制的“调度中心”，也是帕金森病、亨廷顿病、成瘾等的“重灾区”。然而，与研究得相对多的大脑皮层相比，人类基底节到底由哪些细胞类型组成、每一类细胞如何维持自己的身份、疾病相关的遗传变异又落在哪些细胞和调控元件上，一直缺乏系统的单细胞分辨率答案。
2026年11月12日，美国Salk研究所Joseph R. Ecker与Maria Margarita Behrens团队在Cell在线发表了题为 Multimodal Single Cell Epigenomic and 3D Genome Atlas of the Human Basal Ganglia 的论文。丁武斌（Wubin Ding）博士与Amit Klein为论文共同第一作者。该研究是美国BRAIN Initiative细胞图谱网络（BICAN）基底节系列论文的重要组成部分，在单细胞水平系统绘制了人类基底节八个亚区26万多个细胞核的DNA甲基化组与三维基因组图谱，并与同一细胞分类体系下的单细胞转录组、染色质开放性、组蛋白修饰以及约148万个细胞的MERFISH空间转录组数据整合，为人类基底节的各类细胞建立了多层次的“表观遗传身份证”，并为帕金森病风险位点SNCA提供了细胞类型分辨率的调控注释，揭示了纹状体基质-纹状小体区室差异延伸到中间神经元的新现象。
论文图形摘要（Graphical Abstract）：从取样区域、snm3C-seq技术到细胞类型、差异甲基化区域、三维基因组、调控网络与空间定位的整体框架。
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基底节是一组位于大脑深部、彼此紧密相连的神经核团，包括纹状体（尾状核Ca、壳核Pu、伏隔核NAC）、苍白球（GP，分外侧段GPe和内侧段GPi）、丘脑底核（STH）以及黑质（SN，含致密部SNc和网状部SNr）。纹状体是基底节的“信息入口”，接收来自皮层和丘脑的兴奋性输入，其中绝大多数是棘状投射神经元（spiny projection neuron，SPN，又称中型多棘神经元MSN）。SPN按表达多巴胺受体D1或D2，分别参与“直接通路”（纹状体→GPi/SNr→丘脑，促进运动）和“间接通路”（纹状体→GPe→STH→GPi/SNr→丘脑，抑制运动）；在解剖上又可进一步分为背侧/腹侧，以及基质（matrix）/纹状小体（striosome）两类区室。
除SPN外，纹状体中还有多种GABA能和胆碱能中间神经元负责整合传入信息；黑质致密部的多巴胺神经元调节纹状体神经元的活动和突触可塑性；GPi和SNr的GABA能投射神经元则作为基底节的输出节点，持续抑制丘脑和脑干靶区。基底节的病变往往表现为特定细胞类型的选择性死亡：帕金森病中黑质多巴胺神经元的丢失、亨廷顿病中纹状体SPN的变性。因此，精确界定“哪些细胞类型易感、它们受到怎样的调控”是理解疾病机制、寻找治疗靶点的关键一步。
要回答这些问题，仅靠基因表达（RNA）还不够。RNA反映的是细胞在某一时刻的状态，而DNA甲基化是一种稳定、可长期维持的表观遗传标记，尤其是神经元中大量存在的非CpG甲基化（mCH），被认为是成熟神经元细胞身份的“指纹”；基因组在细胞核内的三维折叠（活跃的A区室与沉默的B区室、拓扑关联结构域TAD、连接增强子与启动子的染色质环）则决定了调控元件能否接触到靶基因。研究团队采用自主开发的单细胞甲基化-3C联合测序技术（snm3C-seq），在同一个细胞核中同时读取这两层信息，为基底节细胞类型提供了比转录组更稳定、更接近“调控机制”的刻画。
图A. 本研究取样的人类基底节八个亚区：尾状核头部（CaH）、体部（CaB）、尾部（CaT）、壳核（Pu）、伏隔核（NAC）、苍白球（GP/GPe）、丘脑底核（STH）和中脑灰质（MGM1，含黑质、腹侧被盖区和红核）。
研究团队对来自7位健康成年捐献者（29–67岁）的8个基底节亚区——尾状核头、体、尾部，壳核，伏隔核，苍白球，丘脑底核和中脑灰质（含黑质、腹侧被盖区和红核）——进行了snm3C-seq测序，并整合Human Brain Atlas的数据，最终得到261,331个高质量细胞核的DNA甲基化图谱，其中229,286个同时携带三维基因组信息。通过与BICAN的HMBA基底节共识细胞类型分类体系对齐，所有细胞被划分为12个大类（class）、31个亚类（subclass）和59个细胞群（group），使得甲基化、三维基因组、RNA、ATAC、组蛋白修饰五种模态的数据可以在同一套细胞类型“语言”下直接比较。
细胞类型的分布与解剖学高度吻合：腹侧SPN集中于伏隔核，多巴胺神经元和谷氨酸能神经元集中于中脑和丘脑底核，GPi Core GABA神经元集中于苍白球；研究还在中脑样本中发现了一群红核来源的GATA3 GABA神经元，并通过MERFISH切片得到支持。值得注意的是，在神经元中，mCH甲基化区分精细亚型（例如D1与D2 SPN）的能力最强。团队还利用920个基因的MERFISH探针组，在相邻组织上获得约148万个细胞的空间转录组数据，为后续的空间分析奠定了基础。
图1. 人类基底节单细胞DNA甲基化与三维基因组图谱。(A) 取样区域及UMAP；(B–E) 按区域、class、subclass、group着色的UMAP；(F) 基底节表观基因组分类树及各细胞群的区域组成、甲基化水平和染色质接触特征；(G) 伏隔核MERFISH示例，显示DRD1/DRD2阳性SPN。
通过比较不同细胞类型的甲基化差异，团队鉴定了数百万个细胞类型特异的差异甲基化区域（DMR），其中数十万个仅在单一细胞类型中低甲基化，可视为候选的细胞类型特异调控元件。这些区域富集的转录因子结合位点重现了基底节细胞发育谱系的“身份决定因子”：外侧神经节隆起（LGE）来源标志物MEIS2的motif对应SPN，PAX7、ONECUT1、PITX2、LMX1A分别对应各自的神经元类群；胆碱能中间神经元则显示出内侧神经节隆起（MGE）来源的LHX6/LHX8特征。中脑多巴胺神经元的GAD2、SOX6和CALB1三个亚型各具调控特征，其中SOX6亚型被认为是帕金森病中比较易损的多巴胺神经元群体。
把这些细胞类型特异的调控区域与全基因组关联研究（GWAS）数据对接后，团队发现：SPN和F M GATA3 GABA神经元的低甲基化区域与帕金森病、智力、双相障碍和精神分裂症的遗传风险显著相关。SPN中低甲基化的基因富集于吗啡/可卡因成瘾、多巴胺突触、长时程增强、昼夜节律等通路，呼应了纹状体在成瘾和奖赏学习中的核心地位；而GPi Core GABA神经元（CN ONECUT1 GABA）中则富集神经退行性疾病通路，MAPT、APP、APOE等阿尔茨海默病相关基因在这些细胞中低甲基化并表达。此外，星形胶质细胞表现出纹状体与中脑/苍白球之间的区域特异性亚型，小胶质细胞中还有一个亚群仅见于60岁以上的捐献者（受样本量限制，尚需进一步验证）。
图2. 细胞类型特异的DNA甲基化图景。(A–B) 亚类/细胞群水平的DMR及其基因组注释；(C–D) 各亚类富集的转录因子motif及其表达；(E) DMR与GWAS性状的LDSC富集；(F) 差异甲基化基因的KEGG通路富集；(G–H) SPN、多巴胺神经元与胆碱能神经元的差异甲基化基因与转录因子；(I) 多巴胺神经元三个亚型；(J–K) 星形胶质细胞亚型的区域分布及与HMBA研究的对应。
三维基因组数据揭示了神经元与非神经元细胞在染色质折叠上的系统性差异：神经元的基因组被分割成更多、更小且边界更清晰的结构域，长距离（≥5 Mb）接触很少；而胶质细胞、血管细胞和免疫细胞则拥有更少、更大的结构域和更多的长距离接触。这一差异在中脑多巴胺神经元中最为极端——多巴胺神经元所在的Glut Sero Dopa类区室化最弱。
更有意思的是与疾病相关的具体位点。团队鉴定出2,110个细胞类型特异的结构域边界，它们显著富集于在相应细胞中既低甲基化又高表达的基因。例如，在亨廷顿病中发生蛋白定位异常、影响纹状体SPN中NMDA受体转运的SORCS2，在D1D2偏心型SPN中低甲基化、高表达，并拥有独特的结构域边界；而定义偏心型SPN的FOXP2基因，在这类细胞中位于活跃的A区室，在经典D1/D2 SPN中却位于沉默的B区室。与此形成对照的是，D1与D2 SPN，直接通路与间接通路的两位主角，在100-kb三维基因组层面仅能微弱区分，而基因体mCH能较好地区分二者，提示这两类功能相反的神经元共享一套高度相似的染色质架构，差异主要体现在精细的甲基化水平上。
图3. 基底节细胞类型特异的区室化与三维基因组结构。(A) 不同class的10号染色体接触弦图；(B) A/B区室基因的功能富集；(C) 区室分数与多种表观修饰的相关性；(D) 全基因组甲基化与区室环状图；(E–G) 差异结构域边界及SORCS2、FOXP2位点示例；(H) 跨细胞类型APA；(I) 结构域大小、绝缘分数等多指标比较；(J) 三类SPN共享与特有的边界和染色质环。
纹状体SPN是基底节的主角。借助甲基化数据，团队把D1和D2 SPN进一步分成基质型（matrix）、纹状小体型（striosome）和腹侧型（ventral），并把偏心型SPN分成NUDAP和D1D2两类，与解剖来源高度吻合：腹侧SPN主要来自伏隔核，背侧SPN则来自尾状核和壳核。每一亚型都有自己的分子标志，例如基质型的EPHA4和STXBP6、纹状小体型的BACH2、腹侧型的SRGAP3和GDA，这些基因在相应亚型中呈现基因体低甲基化。
图4-1. 标志基因基因体mCH支持SPN亚型注释（Figure S7A）。DRD1、DRD2、TSHZ1、STXBP6、BACH2、SRGAP3、GLI3、KHDRBS3、GDA等基因分别在D1/D2、偏心型、基质、纹状小体和腹侧SPN中呈现基因体低甲基化，与RNA标志基因一一对应。
本研究重点刻画了一个此前知之甚少的亚型——STR D2 SMYD2-HTR7 SPN（简称D2 SMYD2）。在全基因组甲基化和三维基因组层面，它都最接近D2纹状小体SPN；而在群特异低甲基化区域的聚类中，它又与偏心型SPN相邻，处在“经典D2”与“偏心型”之间的中间状态，这与BICAN猕猴Patch-seq研究发现该亚型具有介于两者之间的形态和电生理特征相呼应。该亚型中SMYD2、SULF2等基因呈现跨模态一致的激活信号（低甲基化、染色质开放、三维接触增加、活跃组蛋白标记增强），转录因子POU6F2是其候选调控因子，有趣的是，POU6F2此前被报道为黑质网状部一个后脑来源神经元亚类的标志物，D2 SMYD2与之共享POU6F2和ZFPM2，但缺乏PAX5，符合其端脑LGE来源。
团队还发现，同一类SPN在纹状体不同亚区之间存在分子梯度：与帕金森病运动症状进展相关的CADM1在伏隔核中低甲基化、高表达，并沿“前部伏隔核→尾状核头→尾状核尾”逐渐减弱，在D1D2偏心型SPN中还伴随三维接触频率的梯度，并得到MERFISH空间数据的验证；而与常染色体显性纹状体变性（ADSD）相关的PDE8B则呈相反方向的梯度，在尾状核尾部最为活跃。这些结果提示，纹状体不同亚区对疾病的易感性差异，可能部分源于同一类神经元在不同位置上的表观遗传“微调”。
图4. DNA甲基化解析纹状体SPN亚型及区域特征。(A–D) 基于甲基化和HiC的SPN UMAP及区域来源；(E) 群特异hypo-DMR聚类；(F–G) 各SPN亚型的差异甲基化基因；(H–J) 转录因子motif富集及POU6F2位点的多模态一致激活；(K–O) CADM1与PDE8B在纹状体各亚区中的甲基化、表达和三维接触梯度及空间验证。
整合DNA甲基化、染色质开放性、组蛋白修饰、三维基因组和RNA后，团队为每一类基底节细胞构建了基因调控网络，预测了约10.8万对增强子-靶基因连接。这些预测与最近在Neuron发表的、经体内AAV实验验证的纹状体增强子工具箱较好吻合——成功召回了68.2%的已验证细胞类型特异增强子，包括D2 SPN中DRD2、ADORA2A的增强子和胆碱能神经元中SLC5A7的增强子，说明这套图谱可以有望为细胞类型特异的基因递送工具设计提供参考。
最引人注目的是帕金森病核心风险基因SNCA（编码α-突触核蛋白）。团队发现，与帕金森病风险升高相关的变异rs2737024和rs2583959落在SN-VTR GAD2多巴胺神经元活跃的增强子内；而风险单倍型rs2737004/rs2619356所在的增强子不仅在小胶质细胞中开放，此前研究已证实该位点的风险等位基因会改变CTCF/RAD21和CEBPB的结合，并通过细胞类型特异的染色质环调控小胶质细胞中的SNCA表达，帕金森病易损的SN SOX6多巴胺神经元中同样开放，并与SNCA启动子形成接触。这提示该增强子可能是一个被小胶质细胞和多巴胺神经元共享的候选调控模块。此外，团队还鉴定出与路易体痴呆相关的rs1372518预测会增强RUNX3 motif的匹配，而RUNX3在MPTP帕金森病模型中被上调，为后续功能验证提供了新方向。
图5. 多组学整合预测细胞类型特异基因调控网络。(A) 分析框架；(B–C) ABC分数与TF-靶基因甲基化相关性分布；(D) 多巴胺神经元调控网络示例；(E) 对enhancer-AAV工具箱已验证增强子的召回率；(F–H) DRD2、ADORA2A、SLC5A7位点的增强子-启动子互作；(I) SNCA位点在小胶质细胞和多巴胺神经元亚型中的增强子图景及帕金森病GWAS位点；(J) rs1372518增强RUNX3 motif。
纹状体在组织学上由大片的基质（matrix）和镶嵌其中的纹状小体（striosome）组成。纹状小体SPN主要投射至黑质致密部的多巴胺神经元，与奖赏和情绪评估有关；基质SPN则参与经典的运动控制通路。经典观点认为两者的差异主要由不同的SPN亚型构成，但其他细胞类型是否也遵循这一区室化规律，一直缺乏系统证据。
团队利用MERFISH空间转录组，基于细胞邻域组成为每个细胞计算了“基质-纹状小体得分”，系统比较了各类细胞在两种区室中的分布。除了预期中的SPN分布外，他们意外发现：MGE来源的CN ST18 GABA中间神经元（主要是STR TAC3-PLPP4 GABA）富集于基质，而CGE来源的CN LAMP5-CXCL14 GABA中间神经元和星形胶质细胞则富集于纹状小体。STR TAC3-PLPP4 GABA的基质富集还得到了免疫组化实验的独立验证。进一步分析显示，除纹状小体SPN外，快放电中间神经元STR FS PTHLH-PVALB GABA拥有最多的区室差异基因；对该类神经元重新聚类后，团队在MERFISH、snm3C-seq和HMBA三套数据中一致地识别出一个纹状小体富集的亚型，并发现MOXD1可作为其标志基因——此前报道的MOXD1阳性快放电中间神经元亚型由此获得了明确的解剖学意义。
最后，团队将来自猕猴的89个STR FS PTHLH-PVALB GABA神经元Patch-seq数据与上述图谱整合，推断出每个细胞的区室位置，进而比较电生理特征：基质型细胞倾向于表现出更快的放电频率和更窄的动作电位，更符合“经典快放电”特征；HMBA数据显示，纹状小体型细胞中SCN9A、CACNA1I等调控兴奋性和爆发式放电的离子通道基因表达更高（并经snm3C基因体mCH验证）。这些结果提示，基质与纹状小体的差异不仅体现在SPN身份上，还延伸到了局部中间神经元的电生理属性和胶质细胞的分布，提示两种区室各自拥有不同的“细胞微环境”。
图6. MERFISH揭示纹状体基质-纹状小体区室差异超越SPN身份。(A–B) 各类神经元沿基质-纹状小体梯度的分布与富集；(C) 免疫组化验证STR TAC3-PLPP4 GABA的基质富集；(D) 两区室富集的转录本；(E–F) 各细胞类型的MS-DEG数目；(G–L) SPN与STR FS PTHLH-PVALB GABA中RNA差异与mCH差异的关联及空间分布；(M–O) 猕猴Patch-seq细胞的区室推断、电生理差异及相关基因。
这项研究在单细胞分辨率下系统绘制了人类基底节的DNA甲基化组与三维基因组图谱，并与BICAN社区的转录组、染色质开放性、组蛋白修饰和空间转录组数据深度整合，为理解基底节的细胞多样性和疾病易感性提供了新的框架：
细胞类型层面：在统一的分类体系下为人类基底节59个细胞群建立了稳定的表观遗传“身份证”，并系统刻画了SPN亚型D2 SMYD2-HTR7及其候选调控因子POU6F2；
环路与解剖层面：发现D1与D2 SPN共享高度相似的三维基因组架构，而同一类SPN沿纹状体前后轴存在CADM1、PDE8B等基因的连续表观遗传梯度；
疾病层面：将帕金森病、精神分裂症、双相障碍等疾病的遗传风险定位到特定神经元类型，并提名SNCA位点在SOX6多巴胺神经元和小胶质细胞中共享的候选增强子；
空间层面：发现纹状体基质与纹状小体之间的差异延伸至中间神经元和胶质细胞，并提示快放电中间神经元在两种区室中具有不同的电生理属性；
工具层面：预测的细胞类型特异增强子与体内验证的增强子-AAV工具箱较好吻合，可为设计靶向特定基底节细胞类型的基因递送载体提供依据。
作者也指出了研究的局限：样本来自7位年龄、性别不同的捐献者，统计效力有限；增强子-靶基因连接仍属计算预测，需要在非人灵长类或iPSC来源纹状体神经元中进一步验证；Patch-seq数据来自猕猴，免疫组化仅在一位捐献者中完成。
所有数据均已公开。snm3C-seq数据存放于NeMO、GEO（GSE320293）和AWS Open Data；MERFISH数据存放于Brain Image Library；分析代码和数据下载分析教程已发布于GitHub（https://github.com/DingWB/BG_snm3C-seq）。
研究团队还搭建了交互式浏览网站，可按细胞类型和脑区查询甲基化谱（http://neomorph.salk.edu/hbg/hbg.php）和多组学数据
（https://neomorph.salk.edu/SCMDAP/BasalGanglia）
这一图谱将为解读基底节相关疾病的遗传变异、筛选易感细胞类型和候选靶点提供重要的公共资源。
Salk研究所丁武斌（Wubin Ding）博士和Amit Klein为论文共同第一作者；Salk研究所Joseph R. Ecker教授和Maria Margarita Behrens教授为共同通讯作者。该工作由BRAIN Initiative细胞图谱网络（BICAN）支持和协调，Allen脑科学研究所、加州大学圣地亚哥分校、加州大学尔湾分校、华盛顿大学（圣路易斯）等多家机构的研究人员参与了本研究。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867426012699
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