解開(kāi)人類大腦皮質(zhì)中間神經(jīng)元發(fā)育之謎

編譯 米斛

大腦皮質(zhì)是人類大腦最大的組成部分，是人腦最大的信息處理中心，承擔(dān)著腦的高級(jí)功能。中間神經(jīng)元是大腦皮質(zhì)兩種主要的神經(jīng)元之一。其數(shù)量隨皮質(zhì)體積的增加而增加，但人類的中間神經(jīng)元的種類卻與嚙齒類動(dòng)物相似。時(shí)穎超等人報(bào)道了人和小鼠指導(dǎo)中間神經(jīng)元分化的十分保守的基因網(wǎng)絡(luò)，解釋了相同種類的中間神經(jīng)元是如何在不同物種中出現(xiàn)的。梅賽德斯·帕雷德斯（Mercedes F.Paredes）等人發(fā)現(xiàn)中間神經(jīng)元在胚胎腦部一種獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)中發(fā)育，而且相比嚙齒類動(dòng)物，人類中間神經(jīng)元的發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)得多。這也解釋了中間神經(jīng)元數(shù)量是如何增加的。這些研究幫助我們理解人類大腦皮質(zhì)中間神經(jīng)元的發(fā)育過(guò)程，并為人類疾病研究提供了基本的框架。

隨著單細(xì)胞分離技術(shù)、大規(guī)?；虮磉_(dá)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析工具的進(jìn)步，科學(xué)家現(xiàn)在能夠?qū)Σ煌锓N的神經(jīng)元進(jìn)行分析和比較。在成年大鼠的大腦皮質(zhì)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了40～60種中間神經(jīng)元亞種，而這些亞種的同源細(xì)胞也在人類中發(fā)現(xiàn)。各個(gè)同源細(xì)胞在人類與大鼠中的數(shù)量、分布、基因表達(dá)和形態(tài)則不盡相同。那么中間神經(jīng)元多樣性的意義是什么？

科學(xué)家已經(jīng)明確了一些數(shù)量較多的中間神經(jīng)元的功能，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有了解全部中間神經(jīng)元在皮質(zhì)和動(dòng)物行為中的功能。到目前為止，我們還未能理解中間神經(jīng)元的全部多樣性，也無(wú)法在活體中辨識(shí)出不同的中間神經(jīng)元。隨著基因技術(shù)和工具的發(fā)展，我們能夠更加清晰地尋找和成像單個(gè)神經(jīng)元，我們對(duì)各種神經(jīng)元功能的理解也越發(fā)深入。

小鼠皮質(zhì)中間神經(jīng)元的來(lái)源已廣泛研究。小鼠中間神經(jīng)元主要來(lái)源于大腦皮質(zhì)下區(qū)域的內(nèi)側(cè)和尾側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)也存在于人類胚胎大腦中，在切片培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)不成熟的皮質(zhì)中間神經(jīng)元向發(fā)育中的皮質(zhì)遷移。但我們?nèi)晕唇沂?0～60種皮質(zhì)中間神經(jīng)元是如何從兩個(gè)干細(xì)胞群發(fā)育而來(lái)的。我們已經(jīng)明確了嚙齒類動(dòng)物的神經(jīng)干細(xì)胞和未成熟的皮質(zhì)中間神經(jīng)元中基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)機(jī)制，但尚不足以解釋皮質(zhì)中間神經(jīng)元實(shí)際上的復(fù)雜程度。因此有人提出了“先天與后天”的概念：部分多樣性可能形成于皮質(zhì)中間神經(jīng)元進(jìn)入皮質(zhì)并定居在其最終部位之后。

為了分析中間神經(jīng)元在其來(lái)源部位中分化的程度，科學(xué)家對(duì)從小鼠和人類胚胎神經(jīng)節(jié)隆起分離出的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。這需要科學(xué)家從胚胎大腦中分離神經(jīng)祖細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和新生成的神經(jīng)元，以及分析每個(gè)細(xì)胞中基因表達(dá)的特征。四方面研究都表明，那些基因水平已分化的未成熟的皮質(zhì)中間神經(jīng)元亞型在神經(jīng)節(jié)隆起中形成后，很快就能在其遷移入大腦皮質(zhì)之前被發(fā)現(xiàn)。這與目前認(rèn)為的細(xì)胞在到達(dá)遷移目的地之后再獲得其主要特征相矛盾。這些發(fā)現(xiàn)還表明中間神經(jīng)元成熟時(shí)表現(xiàn)出的轉(zhuǎn)錄組特征在很大程度上在其出生時(shí)就由其來(lái)源確定。時(shí)穎超等人也發(fā)現(xiàn)小鼠和人類促使皮質(zhì)中間神經(jīng)元主要發(fā)育過(guò)程的基因網(wǎng)絡(luò)是很保守的，這些基因網(wǎng)絡(luò)與中間神經(jīng)元遷徙入皮質(zhì)、特化以及最終獲取其細(xì)胞特征相關(guān)。這也清晰地解釋了為何兩個(gè)物種的中間神經(jīng)元十分相似。但很多問(wèn)題仍然未解決，例如基因網(wǎng)絡(luò)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控因子是如何通過(guò)調(diào)控翻譯過(guò)程讓細(xì)胞形成不同的轉(zhuǎn)錄組特征，以及來(lái)自相鄰神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞或者來(lái)自大腦之外的信號(hào)是如何影響這些發(fā)育事件的。

既然中間神經(jīng)元基因網(wǎng)絡(luò)和多樣性在生物進(jìn)化過(guò)程中是保守的，那么中間神經(jīng)元的數(shù)量是如何在人體內(nèi)擴(kuò)增的呢？帕雷德斯等人在人類內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起中發(fā)現(xiàn)了一些特別之處。在小鼠的內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起中，分裂的中間神經(jīng)元祖細(xì)胞主要分布在內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起中靠近中央腔的部位。而與小鼠不同，人類的中間神經(jīng)元祖細(xì)胞在分裂過(guò)程中會(huì)分布到腦實(shí)質(zhì)中，與新生的神經(jīng)元混合在一起。除此之外，帕雷德斯等人還發(fā)現(xiàn)新分化的細(xì)胞依然會(huì)持續(xù)分裂，直至有絲分裂后期。這些發(fā)現(xiàn)表明人類大腦皮質(zhì)中的中間神經(jīng)元數(shù)量相比嚙齒類動(dòng)物更多，而這不僅與祖細(xì)胞分布區(qū)域的大小有關(guān)，還與該區(qū)域中的神經(jīng)源性細(xì)胞的種類數(shù)量以及神經(jīng)發(fā)育持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)相關(guān)。一般認(rèn)為，人腦中神經(jīng)元數(shù)量增多是人腦高度發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)。更多神經(jīng)元讓我們相比其他物種擁有了更大的大腦以及更強(qiáng)的思考能力。各項(xiàng)研究都表明，神經(jīng)系統(tǒng)多樣性和細(xì)胞增殖的起始階段是胚胎發(fā)育最重要也是最脆弱的階段。在胚胎發(fā)育期間，基因異常和外界干擾都會(huì)導(dǎo)致永久的腦部發(fā)育異常和功能喪失。

建立人類大腦皮質(zhì)中間神經(jīng)元細(xì)胞庫(kù)

皮質(zhì)中間神經(jīng)元發(fā)生過(guò)程中的基本發(fā)育步驟和相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò)在人類與小鼠中是類似的。這使得人類和小鼠有著相同的中間神經(jīng)元亞型細(xì)胞，只是在數(shù)量上不同。在發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)向干細(xì)胞庫(kù)加入不同的能夠分裂的細(xì)胞，人類的中間神經(jīng)元逐漸擴(kuò)增。

一直以來(lái)，皮質(zhì)中間神經(jīng)元缺陷被認(rèn)為與包括自閉癥在內(nèi)的兒童時(shí)期起病的疾病相關(guān)，而這些神經(jīng)元功能減退則與癲癇相關(guān)。通過(guò)將內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)突起中的中間神經(jīng)元祖細(xì)胞移植入小鼠大腦皮質(zhì)，小鼠能夠補(bǔ)足缺失或異常的中間神經(jīng)元。這些植入的細(xì)胞可以在宿主大腦中遷移到正確的位置，整合入宿主大腦并在其中成熟。這些在小鼠體內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)為治療中間神經(jīng)元缺陷描繪了良好的前景。一些突破性的研究已經(jīng)證實(shí)小鼠和人的胚胎干細(xì)胞與誘導(dǎo)多能干細(xì)胞能夠產(chǎn)生皮質(zhì)中間神經(jīng)元，讓個(gè)體化的治療成為可能。帕雷德斯等人證實(shí)了人類來(lái)源的胚胎內(nèi)側(cè)神經(jīng)節(jié)突起細(xì)胞能夠在移植入小鼠大腦后完全成熟并參與組成神經(jīng)通路。這項(xiàng)工作不僅進(jìn)一步印證了皮質(zhì)中間神經(jīng)元在人和小鼠兩個(gè)物種中都是很保守的，還提示研究人員可以將人類的神經(jīng)祖細(xì)胞或剛分化的細(xì)胞移植入小鼠皮質(zhì)來(lái)研究人類中間神經(jīng)元的生理、病理，并讓研究者得以在活體中研究潛在的、治療相關(guān)疾病的藥物及療法。

臨床前模型研究是將皮質(zhì)中間神經(jīng)元療法合理應(yīng)用于臨床之前的關(guān)鍵步驟。該模型能夠解決很多問(wèn)題，例如尋找能夠通過(guò)移植治療的疾病，并找到在這些疾病發(fā)病過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的中間神經(jīng)元亞型。該模型也能用于研究各個(gè)疾病的最佳治療窗口，以及在進(jìn)行移植后這些皮質(zhì)中間神經(jīng)元的發(fā)育、分化、整合和生存。各個(gè)療法的療效也能用該模型確認(rèn)。當(dāng)前，即使一系列臨床前研究尚在完善中，第一個(gè)將中間神經(jīng)元療法用于治療單側(cè)內(nèi)側(cè)顳葉癲癇的人體臨床試驗(yàn)（NCT05135091）已經(jīng)準(zhǔn)備完畢。該實(shí)驗(yàn)將是人類皮質(zhì)中間神經(jīng)元移植療法的第一個(gè)臨床試驗(yàn)。

資料來(lái)源Science