《细胞》:我们为何能拥有更大的大脑? |
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大脑是人体最重要的器官,也可能是宇宙间最复杂的物体。在进化过程中,人类大脑的皮层显着增大,为各种高级认知功能提供了结构基础。解码人脑的发育过程,将为我们理解“人何以为人”提供接近本质的答案。
在探索人类大脑皮层为什么能够变得更大的问题时,人们常常把目光集中在神经元胞体集中的灰质区域。实际上,大脑皮层的白质也在进化过程中剧烈增大。相比小鼠等啮齿类动物的皮层白质,人脑的皮层白质体积有其3000倍。
近日,顶尖学术期刊《细胞》在线发表了一项来自加州大学旧金山分校(UCSF)的研究论文,科学家们揭示出人类大脑在胚胎发育过程中,白质区域如何扩张的重要机制。“这一发现能帮助我们更好地了解人类大脑的皮层发育,也为探索白质损伤相关疾病的发病机理和治疗方法提供了依据。”这项研究的第一作者和共同通讯作者黄薇博士介绍。
在大脑皮层中,白质是神经纤维束集中的区域,主要由带有髓鞘的神经轴突组成,它们连接着大脑各个区域,对于大脑正常行使各种功能必不可缺。白质的损伤与多种疾病有关,在皮层发育异常导致的疾病中常见,严重时会导致脑瘫。
而在白质中,少突胶质细胞(oligodendrocyte)扮演了极为重要的角色。这类细胞形成了包裹神经元轴突的髓鞘,促进神经信号的跳跃式传导。它们也是白质中数量最多的细胞类型,在白质急剧扩张时满足增加髓鞘形成的需求。
先前,一些科学团队利用小鼠等动物为模型,对少突胶质细胞如何产生、分化等发育过程有了基本认识。然而,啮齿类动物的大脑结构毕竟与人类差别巨大,人脑中的少突胶质细胞有哪些特殊的发育性质?对这个问题的回答显得尤为重要。这正是本次研究带来的突破所在。
在这项工作中,研究人员利用细胞表面蛋白的抗体富集人类胚胎大脑皮层中的,并结合单细胞测序、脑片培养和实时显微观察等技术,实现了对人类皮层不同进行类型特异性的荧光标记、谱系追踪和突变操作。
他们由此观察到,灵长类动物中特有的一类胶质细胞,外侧放射状胶质细胞(oRG),不仅有助于在大脑灰质产生大量神经元,还为人脑白质提供了额外的少突胶质细胞来源。
此外,在妊娠中晚期,少突胶质前体细胞(OPC)会经历连续的对称分裂,以指数方式扩大自身数量,从而为产生大量少突胶质细胞做好准备。有趣的是,新产生的大量OPC还会相互排斥,朝相反方向迁移,达到了避免局部积累、确保广泛分布的效果。
研究作者总结说,额外来源、持续分裂和快速扩散三大性质,大幅度提高了少突胶质细胞的生成数量,从而促进大脑皮层的白质扩张。
值得一提的是,研究作者在论文的讨论部分还指出,过去对于小头畸形等皮层发育异常性疾病的研究往往集中于神经元,很少考虑胶质细胞的发育异常。“然而,我们的研究发现,临床上报道过的致病基因不仅在神经元内表达,在少突胶质前体细胞中也有较高的表达水平。”黄薇博士说道,“这表明,胶质细胞在这些性疾病中的原发性作用值得注意。”(100yiyao.com)
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