在我們身體的每個部分，細胞類型和解剖結構都是為了執行特定功能而組織的，哺乳動物脊髓的背角就是一個典型的例子。它由多種類型的細胞組成，這些細胞以分層微電路的形式排列，每一層接收特定的感覺和下行神經輸入，并以獨特的方式影響動物行為。因此，背角代表了整個動物王國中常見的神經組織模式，從脊椎動物的中腦到果蠅的視葉都是如此。因此，理解其組織邏輯可能為這類神經電路的形成及其功能提供重要見解。

在這項研究中，我們探討了塑造小鼠脊髓背角細胞類型和結構的發育原理。與脊椎動物脊髓的腹角不同，腹角是形態發生信號傳導生成離散胚胎譜系區域的經典例子，而背角的發育一直是個謎。已知幾乎整個背角是由在晚期脊髓神經發生過程中產生的看似同質的祖細胞群形成的——但具體機制是什么呢？

我們首先通過單細胞RNA測序（RNA-seq）分析了胚胎脊髓中的背角神經元類型，從而能夠比較基因表達特征，并描述不同神經元家族之間的層次關系和精細的神經元類型。我們發現，背角的主要組織特征是時間上的多樣化，共有六波神經發生，每波產生一類興奮性和抑制性神經元。通過繪制每個神經元家族的空間分布圖，我們發現背角的分層結構實際上是一個“時間序列表”，這是由于連續波次產生的興奮性神經元在相鄰層中沉積形成的。時間序性在神經發育中是一個常見現象，但其關鍵作用卻很少被研究。選擇性地消除胚胎背角中的各類神經元——興奮性神經元、抑制性神經元和感覺軸突——表明，僅興奮性神經元所特有的時間序性是背角解剖結構的基礎。在更精細的細胞類型層面，我們發現背角祖細胞中存在Zic轉錄因子的背腹梯度，這種梯度將每個家族進一步分化為不同的神經元類型，并對背角的細胞組成起著關鍵作用。

這項工作為整理背角神經元類型提供了資源和框架，包括它們的發育起源、成年后的命運、基因表達特征以及空間分布。此外，它揭示了產生背角神經元及其解剖結構的基本時間和空間因素，從而為神經對行為的控制奠定了基礎。

哺乳動物脊髓的背角由多個層組成，每一層包含不同類型的神經元，具有獨特的電路連接，并在行為中扮演特定角色。一個重要的問題是，這種組織結構是如何從看似同質的神經祖細胞池中發育出來的。在這里，我們發現小鼠的背角神經元隨著時間的推移而多樣化，相關細胞類型的家族以時間序列的形式產生，并受到空間-分子梯度的調控，從而決定了個體細胞類型。興奮性神經元按照時間順序排列，這種時間順序轉化為解剖學上的層次結構，是形成正確層狀結構的關鍵。我們確定了塑造背角祖細胞成為多種細胞類型并發揮感覺運動功能的基本發育原理。