首份大脑发育图谱

首份大脑发育图谱

最近发表在《自然》杂志上的一系列研究，这些研究共同创建了哺乳动物大脑发育的首个详细“细胞图谱”。

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颠覆认知！首张大脑发育图谱揭示大脑自我构建的三大秘密

1. 引言：解开大脑的终极谜团

人类的大脑是宇宙中最复杂的结构之一。它如何从区区几个干细胞，演变成能够思考、感受和创造意识的精密器官？这个过程一直是科学界最大的谜团之一。我们知道大脑是由无数神经元构成的网络，但它们究竟是如何在正确的时间、正确的位置被“制造”出来的，长期以来我们只能窥见其冰山一角。

现在，一项里程碑式的突破为我们提供了前所未有的答案。作为耗资巨大的“大脑计划细胞图谱网络”（BRAIN Initiative Cell Atlas Network, BICAN）项目的一部分，科学家们绘制出了“首张大脑发育图谱”。这些详尽的地图不仅是简单的目录，它们正在揭示大脑建造过程中三个最核心、也最反直觉的基本原则：精准的时机、环境的雕刻和进化的效率。

2. 原则一：发育中的大脑有一个精准无比的“生产开关”

加州大学旧金山分校的神经科学家托马斯·诺瓦科夫斯基（Tomasz Nowakowski）及其团队在研究人类胎儿时，发现了大脑建造蓝图的第一个原则：令人难以置信的精准时机。他们观察到，在发育的第20周之前，大脑中的祖细胞主要负责制造兴奋性神经元——也就是大脑的“油门”，负责传递激活信号。

然而，一旦越过20周这个精确的时间点，一切都发生了戏剧性的变化。这些完全相同的祖细胞仿佛按下一个开关，突然转向开始生产抑制性神经元——即大脑的“刹车”，负责中止或精细调节神经元间的通讯。这种“油门”与“刹车”的平衡对于所有大脑功能都至关重要，它既能防止像癫痫发作那样的失控活动，又能实现精确的思考和行动。有趣的是，研究还发现，虽然神经元的生产开关如此精确，但其他关键支持细胞（如星形胶质细胞和少突胶质细胞）的生成在人类中却是一个“更持续、更漫长”的过程，这再次凸显了大脑发育的复杂性。

“我们实际上并不知道是什么在控制所有这些发育程序和开关，也不知道它们为什么会在发育过程中发生，尤其是在如此精确的时刻发生。”

3. 原则二：大脑的关键发育竟发生在出生之后

虽然大脑在出生前依赖于这个无比精确的内部时钟，但当婴儿进入这个世界时，故事还远未结束。事实上，大脑构建的第二个基本原则——环境雕刻——才刚刚开始，其驱动力不再是预设的计时器，而是生命体验本身。

我们通常认为，大脑的大部分发育工作在出生前就已经完成。然而，艾伦脑科学研究所的曾红葵（Hongkui Zeng）团队对小鼠的研究得出了一个令人意外的结论。研究发现，在小鼠出生后，仍有大量的神经元在继续分化，并最终确定它们的特定身份和功能。这个过程在出生后的第11天（当小鼠第一次睁开眼睛时）到第21天之间尤为活跃。这一发现意义重大，它强有力地证明了早期的生命体验——比如初次处理视觉信息——对于塑造大脑的最终结构和功能起着至关重要的作用。换言之，我们与世界的第一次互动，正在实时雕刻着我们的大脑。

4. 原则三：进化是个“聪明的懒人”，喜欢给旧细胞找新工作

如果说基因提供了精确的初始蓝图，而经验完成了最终的雕刻，那么这份蓝图本身又是从何而来的呢？答案就在于大脑构建的第三个原则：进化的惊人效率。

普林斯顿大学的神经科学家芬娜·克里南（Fenna Krienen）的研究讲述了一个关于进化的精彩故事。起初，科学家认为某一组特定的抑制性神经元是灵长类动物所独有的。但在最新的研究中，团队开启了一场“探险”，结果在包括猪、兔子和雪貂在内的多种哺乳动物中都发现了这些神经元，其进化历史可追溯至1.6亿年前。克里南回忆收到那封主题为“在猪身上找到了，怎么办？”的邮件时，心情无比激动。这一发现揭示了一个深刻的进化原理：进化并不总是从零开始创造全新的细胞类型。相反，它更像一个“聪明的懒人”，倾向于将现有的、古老的细胞类型进行重新利用，在不同物种的大脑中赋予它们新的功能或将它们部署到新的位置。

“这表明，至少在哺乳动物中，进化的作用方式是教会旧的细胞类型一些新把戏。”

5. 结论：一张地图，以及即将到来的新时代

这些新绘制的“细胞图谱”远不止是一份份细胞目录，它们是强大的工具，正在从根本上改变我们看待大脑发育和进化的方式。它们揭示了大脑的构建是一场精妙的舞蹈，由严格的基因蓝图（精准时机）、鲜活的现实世界（环境雕刻）和高效的演化历史（进化效率）共同谱写。每一个发现都在为我们描绘一幅关于生命如何构建智慧的全新画卷。正如牛津大学的神经科学家佐尔坦·莫尔纳（Zoltán Molnár）所说，在这些新地图的指引下，“我们正迎来一个非常激动人心的时代。”