研究发现大脑结构或由两种神经系统组合而成

你有没有想过，我们通常将其视为一个一致体的大脑，或许实际上是两种不同系统在同一颅腔内结合的产物？一项新研究提供了一个有趣的视角：大脑可能并非源自单一发育过程，而是由两种不同的细胞群体合并而成，使其形成了我们所认知的这一器官。这项研究的结果已发表在《自然神经科学》期刊上。研究的共同作者之一、斯坦福大学的发育生物学副教授凯尔·洛（Kyle Loh）在一封邮件中指出：“虽然大脑在外观上看似一个单一的器官，但我们的发现表明，大脑的前半部分与后半部分实际上来自不同的来源，只有在后续过程中才被融合在一起，形成当前的结构。”

要理解这一观点，我们需要回归一些基础知识。人脑被划分为三个主要区域——前脑、中脑和后脑，每个区域的功能各异，但相互之间却又紧密相连。前脑包括大脑半球，负责高层次的认知功能，如语言、计划和抽象思维；中脑位于脑干的顶部，作为前脑和后脑之间的桥梁，负责感知信息和运动控制；后脑则包含脑干的下部等结构，参与运动协调，以及对呼吸、睡眠和心率等基本生命机能的调节。

然而，后脑的研究一直面临挑战，一方面是由于在实验室内培养功能性后脑神经元的困难。为了找出原因，洛和研究团队观察了小鼠胚胎早期的发育过程。他们聚焦于原肠形成期，此阶段细胞开始组织成将来将形成不同器官的结构。研究者识别出两类不同的未成熟细胞，这些细胞最终会发展为包括大脑在内的神经系统组织。其中一群细胞表达Otx2基因，涉及前脑和中脑的早期发育；另一群细胞则表达Gbx2基因，参与中脑和后脑的发育。这两个基因在这两类细胞中的明确分布是本研究的重要发现。随着细胞的进一步发育，这两群细胞始终保持独立，而不是相互交融。

团队还研究了染色质，这种结构将DNA紧密包装在细胞核内，并负责调控细胞的基因表达。他们发现，二者的染色质构型不同，这进一步证实了它们走的是独立的发育路径。这或许解释了为何科学家在培养后脑神经元方面往往收效甚微。洛实验室的研究生拉扬·乔凯（Rayyan Jokhai）表示：“先前的培养尝试很可能把前脑和中脑的前体细胞误导为后脑细胞，而我们的研究表明这行不通。”

这一发现的重要性在于，研究人员借助实验中获得的数据成功地将人类干细胞引导转化为具有功能的后脑运动神经元，这种神经元负责运动控制，具体来说，它们能够生产那些与后脑区域相关的重要蛋白质，帮助调节面部和吞咽肌肉的运动。在某些神经系统疾病如脊髓性肌萎缩症和肌萎缩侧索硬化症中，运动神经元逐渐退化，导致患者可能游离于吞咽、说话和呼吸等基本功能的能力。洛提到：“我们无法从患者的体内取出运动神经元，来观察这些疾病的影响。然而，在培养皿中培养这些后脑运动神经元，为我们提供了一条研究这些疾病的新途径。”接下来的目标是利用这些发现进一步研究相关疾病，并探索新的治疗方案。

此外，这一发现可能会揭示有关脊椎动物进化的一些根本性问题。研究者探讨了这两条发育路径是独属于人类，还是反映了一种更古老的演化模式。他们参考了之前发布的其他物种的数据——包括猕猴、斑马鱼和鸡——同样发现了表达这两个特定基因的两种不同细胞。在海洋无脊椎动物橡实虫身上，他们也观察到了类似现象。意大利那不勒斯费德里科二世大学的生物学教授安娜·迪科斯莫（Anna Di Cosmo）指出：“斯坦福的这一发现表明，脊椎动物大脑的远古祖先在基础结构上是模块化的，前部谱系（前脑/中脑）与后部谱系（后脑）之间的发育分离可以追溯到很远的历史阶段。”洛的团队推测，这些在子宫中观察到的发育轨迹，可能意味着这两类细胞最初属于各自独立的神经系统。“在随后的进化过程中，这两套神经系统可能被融合在一起，形成了一个看似整合的大脑，”洛表示。

然而，这项研究并未揭示这两条路径具体是在何时出现的，也没有确定它们如何进行整合。“需要说明的是，这仅仅是一个假设，随着科学的进一步发展，这一观点可能会有所变化。”洛补充道。总之，目前关于大脑“由两种系统组合而成”的看法尚待进一步验证，并不构成定论。但至少，它为我们解释了为何某些脑细胞在实验条件下难以存活——因为它们不应被转换为后脑细胞。