长期以来，人们一直将大脑视为一个具有共同发育起源的单一器官。一项研究对这一基本假设提出了挑战，指出大脑实际上由两个截然不同的系统构成，它们在数亿年的进化过程中分别独立出现。9月18日，相关研究成果发表于《自然-神经科学》。
几十年来，主流模型认为整个大脑都起源于一个早期祖细胞群。根据这一观点，前脑、中脑和后脑都可追溯到同一个发育起点。而新研究揭示了一幅截然不同的图景，即人脑似乎融合了两个古老的神经系统。一个系统负责形成维持呼吸和控制心跳等基本功能的脑区；另一个系统则产生了与语言、数学、抽象思维以及自我反思等能力相关的脑区。
“我们首次证明，大脑前部与后部是由完全不同的祖细胞产生的。”论文通讯作者、美国斯坦福大学的Kyle Loh说，“这一发现意味着我们现在可以在培养皿中培养后脑的神经元，并研究它们的功能。”
人的大脑分为3个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑支持许多与复杂思维密切相关的能力，包括语言、意识和抽象推理。后脑位于颅骨后部，通常被称为脑干，控制对生存至关重要的自动过程，包括呼吸、睡眠、心跳调节和饥饿感。此外，后脑神经元还控制着面部、舌头和咽喉的肌肉，这些肌肉对于说话和吞咽很重要。
尽管后脑的作用至关重要，但数十年来，科学家一直很难在实验室中培育人类后脑神经元。这一限制使得研究涉及脑干的严重疾病变得更加困难。
科学家在研究胚胎发育的早期阶段时有了关键突破。在原肠胚形成期间，身体的基本结构开始出现。论文第一作者、斯坦福大学的Rayyan Jokhai和Carolyn Dundes发现，后脑并不是作为产生前脑和中脑的发育途径的一个分支出现的，相反，它从一开始就遵循自己的发育通路，与其他脑区并行发育。
为探究这一过程，研究人员对发育中的小鼠胚胎进行了研究，并鉴定出两类不同的脑祖细胞群。其中一群细胞表达了一种名为Otx2的基因，最终形成前脑和中脑；另一群细胞表达了一种名为Gbx2的基因，并发育成后脑。科学家发现，即使在研究的最初阶段，这两群细胞也是分离的，没有重叠。
当他们研究染色质（一种在细胞内包装DNA的物质）时，这种区别变得更加明显。前神经外胚层与后神经外胚层具有完全不同的染色质结构，这些差异从一开始就使细胞走上了不同的发育路径。
这一发现可能解释了神经科学领域一个长期存在的问题，即为什么研究人员一直难以在实验室中培养后脑神经元，并为研究脊髓性肌萎缩症和肌萎缩侧索硬化症等涉及脑干的疾病开辟新途径。
“此前培养后脑神经元的尝试，很可能都是试图将前脑和中脑的祖细胞转化成后脑细胞，而我们的研究表明这是行不通的。”Jokhai说，“在干细胞生物学领域，人们总是执着于生成最终的细胞类型，比如神经元。但从胚胎发育的最早阶段入手至关重要。正因为我们对这一早期时间点给予了密切关注，才得以发现大脑发育中这一根本性分化。”
在弄清后脑是从一条独立的发育通路形成的后，研究人员利用这一发现解决了一个重大的实验室难题。该团队首次成功诱导人类多能干细胞（一种能够分化为人体内任何细胞的细胞）分化为功能性后脑运动神经元。这些细胞产生了被称为动作电位的电信号，并合成了与后脑特定区域相关的蛋白质，这些区域负责控制面部和咽喉肌肉。
随后，研究人员从进化角度探究了这种发育分化可以追溯到多远。回顾超过5.5亿年的进化史，团队在鸡、斑马鱼甚至柱头虫身上发现了相同的“双起源”模式的证据。柱头虫生活在海底，与人类有着非常遥远的共同祖先。研究人员还注意到，约7亿年至6亿年前与人类分化的水母，拥有位于身体两端的两个神经系统。
这些发现提出了一种可能性，即现代脊椎动物的大脑可能是进化过程中的两个在空间上紧密相邻的独立神经系统形成的。“这一发现让人惊讶不已。因为‘大脑’一词通常指代一个具有单一起源的器官。”Jokhai说，“但在5亿年前，就已经存在这些独立的神经系统，而如今，它们几乎像一个整体一样运作，这太神奇了。”（文乐乐）
来源：中国科学报
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