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昨日，一項發(fā)表在Cell 雜志上的新研究首次發(fā)現了人類大腦發(fā)育得比黑猩猩和大猩猩大腦更大的可能機制（人類大腦中的神經元是黑猩猩和大猩猩的三倍）。這項由英國劍橋醫(yī)學研究委員會（MRC）分子生物學實驗室的研究人員主持的研究發(fā)現了一個關鍵的分子開關，這個分子開關可以使類人猿的大腦類器官生長得更像人類的大腦類器官，反之也可行。 這項新研究比較了模擬人類、大猩猩和黑猩猩的干細胞早期大腦發(fā)育后培養(yǎng)出來的“大腦類器官”3D組織。 “與我們實際了解的大腦尺寸對比情況相似，人類的大腦類器官比其他類人猿的大腦類器官體積更大?！?nbsp;主持這項研究的MRC分子生物學實驗室的Madeline Lancaster博士（2013年創(chuàng)造第一個大腦類器官的研究團隊中的一員）說：“研究結果能使我們初步了解人類大腦發(fā)育區(qū)別于我們的近親（其他類人猿）的不同之處。畢竟，我們和類人猿最顯著的區(qū)別就是，我們的大腦要比它們大得多。” 大腦發(fā)育早期，神經元是由干細胞（又稱神經祖細胞）分化而來的。這些祖細胞最初呈圓柱狀，這種形狀使它們更容易分裂成形狀相同的子細胞。神經祖細胞在這一發(fā)育階段增殖的次數越多，那么之后生成的神經元就越多。隨著細胞的成熟以及增殖速度的放緩，細胞形狀會拉長，形成一種拉長的冰淇淋筒的形狀。 先前對小鼠的研究表明，小鼠的神經祖細胞成熟變成圓錐形后的數小時內就出現了細胞增殖緩慢的現象。隨著大腦類器官技術的發(fā)展，使得研究者能夠運用該技術揭示上述發(fā)育狀況在人類、大猩猩和黑猩猩身上發(fā)生的方式。 他們發(fā)現，這種轉變（細胞形狀及增殖速度的變化）在大猩猩和黑猩猩身上需要很長時間才會發(fā)生（大約需要五天多）。人類的神經祖細胞發(fā)生這一轉變所需的時間更長，大約需要7天。與其他類人猿相比，人類的神經祖細胞能夠在更長的時間內保持圓柱狀，而在這段時間內，它們分裂得更為頻繁，產生的細胞也更多。 人類與類人猿之間在神經祖細胞向神經元過渡速度上的差異意味著人類細胞有更多的增殖時間。這可能是人腦中神經元數量比大猩猩或黑猩猩增加了大約三倍的主要原因。 Lancaster博士說：“我們發(fā)現，早期大腦細胞形狀的延遲改變足以改變個體的發(fā)育進程，延遲改變的時間可以幫助我們確定個體最終形成的神經元數量。” “這是一件非常值得我們關注的事，細胞形態(tài)只發(fā)生了相對簡單的進化就有可能對個體的大腦進化產生重大的影響。我從記事起就對'我們怎樣成為了人類'這一問題非常感興趣，而現在我認為我們已經夠到了這一問題的一些生物基礎性答案?！?/p> 為了揭示導致人類與類人猿出現這些差異的遺傳機制，研究者對人與類人猿的基因表達進行了比較——對比人類大腦類器官和其他類人猿大腦類器官中分別有哪些基因是開啟和關閉的。 他們發(fā)現，人類與類人猿在“ZEB2”基因上存在差異，該基因在大猩猩大腦類器官中的開啟速度要比在人類大腦類器官中快。 Decreased ZEB2 leads to expanded NE with delayed transition 為了測試該基因在大猩猩神經祖細胞中的作用，研究者推遲了ZEB2的作用時間。結果發(fā)現這一操作延緩了大猩猩神經祖細胞的成熟，使得大猩猩大腦類器官的發(fā)育進程變得更像人類——速度更慢、體積更大。 反過來，研究者發(fā)現更早地啟動人類神經祖細胞中的ZEB2基因，促進了人類大腦類器官的過早轉化，從而使其發(fā)育得更像類人猿的大腦類器官。 同時，研究人員也注意到，類器官只是一個模型，和其它所有模型一樣，都不能做到對真實大腦的完全復制，尤其是對成熟的大腦功能的復制。但對于人類進化這一基本問題來說，這些培養(yǎng)基中的腦組織為我們提供了一個前所未有的可以觀察到大腦發(fā)育關鍵階段的視角，而對這一階段的研究除此之外別無他法。  通訊作者：Madeline Lancaster博士 兩位共同第一作者 實驗室最近幾年的文章：
圖片來源：MRC分子生物實驗室 編譯作者：UTCS（brainnews創(chuàng)作團隊） 校審：Simon（brainnews編輯部） |
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