NAR | 陈东升/马瑜婷/王向东等合作构建跨物种多维脑图谱平台scBrainScope，覆盖135个物种、1.187亿个细胞|多维脑图谱平台|王向东|细胞|转录组|陈东升(1957年)|马瑜婷

脊椎动物的大脑在分子、细胞和解剖学层面均具有复杂性，支撑着多种功能与行为。为阐明这一复杂性，对不同物种的基因表达、细胞类型及发育阶段进行全面研究至关重要。近年来，随着批量RNA测序（bulk RNA-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组学（ST）等高通量技术的发展及公共数据集的扩充，人们能够在高分辨率下解析大脑的分子特征；但这也为跨物种、多平台数据的整合、可视化及分析带来了挑战。

目前已开发了MAPbrain、STomicsDB、scREAD等多个针对性数据库，尽管这些开创性成果极大地推动了人们对大脑生物学的理解，但其在大规模跨物种整合单细胞、空间及批量转录组数据上仍存在碎片化问题，制约了对中枢神经系统进化复杂性的深入研究。

近日，中国医学科学院系统医学研究院/苏州系统医学研究所陈东升、Huang li、马瑜婷及复旦大学附属中山医院王向东团队合作，开发了一个综合性、交互式脑图谱平台scBrainScop，用于多维脑转录组数据分析。该平台整合了来自135个物种的单细胞转录组数据，涵盖433个脑区、198个发育阶段、100种神经系统疾病；同时纳入了来自275个物种的737个bulk RNA-seq数据集，以及1154个涵盖大脑、脊髓与胚胎组织的ST数据集。scBrainScope包含六大图谱模块（AtlasScope、RegionScope、TissueScope、SpaceScope、PathoScope、AgeScope）与三大分析模块（sPandora、ePandora、cPandora），支持研究人员从多尺度、多维度探究细胞身份、基因程序及空间组织规律。

scBrainScope从Allen Brain Atlas、Single Cell Portal、NCBI/GEO、EMBL-EBI等公共数据库及PubMed收录文献中系统收集并整理了大脑相关转录组数据。目前，该平台包含来自135个物种的1.187亿个单细胞转录组数据，覆盖433个脑区、100种脑部疾病以及198个发育阶段；同时整合了275个物种的737个bulk RNA-seq数据集，以及1,154个源自大脑、脊髓和胚胎组织的ST切片数据。

该平台设有9个功能模块，分别为AtlasScope、RegionScope、TissueScope、SpaceScope、PathoScope、AgeScope、sPandora、ePandora和cPandora。其中，前6个模块为多模态图谱模块，提供基于图谱的多维度数据可视化视角；后3个模块则为分析工具，分别提供单基因（sPandora）、基因集（ePandora）、细胞类型水平（cPandora）的泛维度快速分析，可支持对大脑功能进行多维度探索。

与现有脑部相关数据库相比，scBrainScope在多个维度上均展现出更优异的数据覆盖度。该平台能够解决跨物种差异、细胞异质性、复杂脑解剖结构以及健康与疾病状态下动态时空信号传导等多项研究难题。scBrainScope目前涵盖了规模最大的脑多组学数据集，可从物种、解剖结构、发育进程及病理状态等视角，对细胞比例动态变化、基因集评分及基因表达模式进行整合分析。

图1. scBrainScope平台

六大核心图谱模块及功能

四个单细胞图谱模块

scBrainScope 的六大图谱模块分别聚焦不同生物学维度，形成全方位数据覆盖。AtlasScope、RegionScope、PathoScope、AgeScope等四个单细胞图谱模块整合了大规模scRNA-seq数据，支持用户从物种、脑区、疾病状态和发育阶段四个维度探索基因表达、细胞类型组成及动态变化。每个模块均提供多种分析选项，包括单基因查询（sPandora）、基因集评估（ePandora）、细胞类型比较（cPandora），并附经整理的差异表达基因（DEGs）列表（GeneLists）。

各模块均支持数据集详情查询与标准化数据下载。用户可通过筛选或点击图像快速定位目标数据集（如斑马鱼物种），系统将自动生成包含BSID（数据集唯一标识）、物种通用名、脑区来源、发育阶段、疾病状态、测序技术等标准化元数据的数据表。点击“Detail”可获取表达矩阵下载链接；“ViewData”则进入包含八大分析板块的scRNA-seq数据集页面，其包含基因表达可视化、同源基因查询等功能，可满足深度分析需求。

图2.单细胞转录组模块及用户界面概述

SpaceScope用于跨物种ST数据分析

SpaceScope是基于ST数据的脑图谱模块，可实现基因表达的高分辨率分析。该模块包含1,145个空间切片，涵盖16个物种的大脑、脊髓和胚胎组织，为研究不同发育和生理状态下的空间基因表达模式提供了全面资源。

用户选择物种和组织类型后可快速定位数据，系统以彩色六边形按钮区分可用分析功能，如RGB可视化基因共表达、聚类分析位点特征等，操作便捷。SpaceScope将单细胞图谱模块的分析框架延伸至空间转录组领域：sPandora支持跨芯片探索单基因表达，能可视化物种、发育、组织、疾病四类维度的表达情况；ePandora支持相同条件下的基因集水平分析，评估空间数据集间的协同活性；cPandora通过空间数据推断细胞类型组成，并将推断比例映射至空间坐标。

图3. SpaceScope模块及用户界面概述

TissueScope用于跨物种体bulk RNA-seq数据分析

TissueScope模块专为跨物种转录组比较设计，支持在广泛系统发育谱系中探究保守基因表达程序与物种间变异。该模块整合了来自275个物种的737个bulk RNA-seq数据集，助力用户从进化维度分析宏观层面的转录组模式。

用户通过“Single-Dataset exploration”界面选择目标物种，即可获取含物种分类、组织来源等详细信息的数据表表格；点击"Detail"可查看深度元数据，"ViewData"则开启bulk RNA-seq数据的深入探索页面。该页面功能丰富，涵盖元数据展示、序列分析、系统发育树等多维度分析。

TissueScope模块提供四大分析功能：sPandora支持跨物种单基因表达检索与比较；ePandora实现基于基因集的转录组程序跨数据集比对；GeneLists支持按物种分类探索差异基因列表；TimeTree则提供系统发育时间框架。

图4.TissueScope模块及用户界面概述

三个泛维分析模块

sPandora用于跨物种单基因分析

sPandora支持跨scBrainScope所有模块的跨维度单基因分析，用户可查询单个基因并以热图的形式可视化其表达情况。以ADNP基因为例，其在各模块中功能明确：AtlasScope、RegionScope、TissueScope等模块可分别呈现该基因在多物种细胞、特定物种脑区、发育阶段等不同维度的表达，助力解析其进化保守性、疾病关联及发育时序变化等特征。

ePandora用于跨物种全基因集分析

ePandora支持用户探究25个生物学类别中预定义基因集的表达情况。选定目标类别（如“死亡相关”）及特定基因集（如“细胞凋亡”）后，用户可在AtlasScope、RegionScope等模块中查看表达热图。结果显示，该基因集在小胶质细胞中的跨物种保守性高表达，以及在神经退行性疾病中于星形胶质细胞、内皮细胞和小胶质细胞的普遍上调，这为理解疾病细胞脆弱性机制提供了关键证据。

cPandora用于跨物种细胞类型分析

cPandora支持用户跨模块比较六种脑细胞类型（神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞及内皮细胞）的分布情况。用户可选择“所有细胞”或特定细胞类型进行探索，cPandora能够系统地揭示细胞类型动态变化中的保守性和背景特异性趋势。