摘要：最近的研究表明，老鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦成熟速度相似。
最近的研究表明，盡管小鼠和靈長(zhǎng)類動(dòng)物的壽命不同，但它們大腦突觸的發(fā)育速度相同。這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了神經(jīng)科學(xué)先前關(guān)于衰老和疾病的假設(shè)，并為理解人類大腦發(fā)育和改善神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療開(kāi)辟了新的途徑。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，壽命較短的小鼠和壽命較長(zhǎng)的靈長(zhǎng)類動(dòng)物在完(空格)全相同的時(shí)間軸上發(fā)育大腦突觸，這挑戰(zhàn)了有關(guān)疾病和衰老的假設(shè)。但這對(duì)人類和過(guò)去的研究意味著什么呢?
圖1 靈長(zhǎng)類動(dòng)物和小鼠皮層突觸的等時(shí)發(fā)育
小鼠的壽命通常是2年，猴子的壽命是25年，但它們的大腦似乎是同時(shí)發(fā)育突觸的。美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)家Bobby Kasthuri和他在芝加哥大學(xué)的同事們?cè)谧罱囊豁?xiàng)研究中發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，這對(duì)神經(jīng)科學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)震驚。
打破神經(jīng)科學(xué)先前的假設(shè)
到目前為止，人們認(rèn)為小鼠的大腦發(fā)育速度比其他更長(zhǎng)壽的哺乳動(dòng)物(如靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類)快。例如，那些研究?jī)蓚€(gè)月大的小鼠大腦的人認(rèn)為，大腦已經(jīng)發(fā)育完成，因?yàn)樗恼w發(fā)育壽命較短。相比之下，2個(gè)月大的靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦仍被認(rèn)為正在經(jīng)歷發(fā)育變化。因此，2個(gè)月大的小鼠大腦與2個(gè)月大的靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦并不是一個(gè)很好的比較模型。
這一假設(shè)似乎是完(空格)全錯(cuò)誤的，作者認(rèn)為，這將使許多使用年輕小鼠大腦數(shù)據(jù)作為研究各種人類疾病(包括自閉癥和其他神經(jīng)發(fā)育障礙)基礎(chǔ)的結(jié)果受到質(zhì)疑。
“神經(jīng)科學(xué)，尤其是哺乳動(dòng)物大腦的一個(gè)基本問(wèn)題是，大腦是如何發(fā)育的?事實(shí)證明，哺乳動(dòng)物的大腦在每個(gè)絕對(duì)階段都以相同的速度成熟。我們將不得不重新思考衰老和發(fā)展，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)這是同一個(gè)時(shí)鐘。"
研究方法和驚人的發(fā)現(xiàn)
Gregg Wildenberg是芝加哥大學(xué)的一名科學(xué)家，他和Kasthuri以及研究生Hanyu Li、Vandana Sampathkumar和Anastasia Sorokina一起是這項(xiàng)研究的主要作者。他仔細(xì)觀察了非常年輕的小鼠大腦中放電的神經(jīng)元和突觸。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，盡管小老鼠的大腦回路幾乎沒(méi)有可測(cè)量的連接，但它的爬行、進(jìn)食和行為都和人們想象的一樣。
“我想我在整個(gè)神經(jīng)元上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)突觸，這是令人震驚的，"Wildenberg說(shuō)。“這只活的小動(dòng)物在出生六天后就在子宮外存在，在沒(méi)有任何大腦神經(jīng)元相互連接的情況下行為和體驗(yàn)世界。我們必須小心不要過(guò)度解讀我們的結(jié)果，但它很吸引人。"
大腦神經(jīng)元與其他器官細(xì)胞的神經(jīng)元不同，因?yàn)榇竽X細(xì)胞處于有絲分裂后，這意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)分裂。在人的一生中，身體中所有其他的細(xì)胞——肝、胃、心臟、皮膚等等——都會(huì)分裂、替換、退化。這個(gè)過(guò)程從發(fā)育開(kāi)始，最終過(guò)渡到衰老。然而，大腦是唯(空格)一在生命的第一天和最后一天具有基本相同細(xì)胞的哺乳動(dòng)物器官。
探索發(fā)展之謎和技術(shù)進(jìn)步
更復(fù)雜的是，每個(gè)物種的早期胚胎細(xì)胞看起來(lái)都是一樣的。如果把魚(yú)、老鼠、靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類的胚胎放在一個(gè)培養(yǎng)皿里，幾乎不可能弄清楚哪個(gè)胚胎會(huì)發(fā)育成什么物種。在某個(gè)神秘的時(shí)刻，胚胎內(nèi)發(fā)生了發(fā)育程序的變化，只出現(xiàn)了一個(gè)特定的物種?？茖W(xué)家們想要了解腦細(xì)胞在大腦發(fā)育中的作用，以及在物種的身體發(fā)育中的作用。
圖2 靈長(zhǎng)類動(dòng)物和小鼠皮層興奮性突觸的等時(shí)發(fā)育
Kasthuri和他的團(tuán)隊(duì)能夠推進(jìn)他們最近的發(fā)現(xiàn)，要感謝阿貢領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施(ALCF)，這是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的一個(gè)用戶設(shè)施。ALCF能夠處理巨大的數(shù)據(jù)集——“兆兆字節(jié)，兆兆字節(jié)和更多兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，"Kasthuri說(shuō)。
在納米尺度上觀察腦細(xì)胞。研究人員使用超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備觀察了這兩個(gè)物種不同年齡的多個(gè)大腦樣本中的每個(gè)神經(jīng)元，并對(duì)每個(gè)突觸進(jìn)行了計(jì)數(shù)。Kasthuri說(shuō)，如果沒(méi)有ALCF，收集和分析這種程度的數(shù)據(jù)是不可能的。
回顧過(guò)去的研究，展望未來(lái)
Kasthuri知道許多科學(xué)家想要更多的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)最近的研究結(jié)果。他自己也在新信息的背景下重新考慮過(guò)去的研究結(jié)果。
“我們之前做的一項(xiàng)研究是將成年小鼠的大腦與成年靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦進(jìn)行比較。我們認(rèn)為靈長(zhǎng)類動(dòng)物比小鼠更聰明，所以每個(gè)神經(jīng)元應(yīng)該有更多的連接，更靈活，有更多的路線，等等，"他解釋說(shuō)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)情況正好相反。靈長(zhǎng)類動(dòng)物神經(jīng)元的連接比小鼠神經(jīng)元少得多?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，我們以為我們是在比較相似的物種，但事實(shí)并非如此。我們將一只3個(gè)月大的小鼠和一只5歲大的靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)行了比較。"
這項(xiàng)研究對(duì)人類的影響是模糊的。首先，在行為上，人類比其他物種發(fā)展得更慢。例如，許多四足哺乳動(dòng)物在出生后的一個(gè)小時(shí)內(nèi)就能走路，而人類通常要花一年多的時(shí)間才能邁出第一步。與其他哺乳動(dòng)物的大腦相比，人類大腦中突觸發(fā)育的規(guī)則和速度是否不同?
Kasthuri說(shuō):“我們相信，當(dāng)我們能夠觀察人體組織時(shí)，一些非凡的、神奇的東西將會(huì)被揭示出來(lái)。人類可能處于完(空格)全不同的時(shí)間表上?！斑@就是所有其他哺乳動(dòng)物物種的生物鐘可能被打破的地方。"
Wildenberg希望在研究過(guò)程中收集的信息將導(dǎo)致更好地針對(duì)人類神經(jīng)紊亂和疾病的藥物的開(kāi)發(fā)。
他說(shuō):“小鼠模型可能對(duì)開(kāi)發(fā)心血管藥物很有幫助，因?yàn)樾呐K基本上是泵，不同物種的工作原理相似。然而，開(kāi)發(fā)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物非常困難。重要的是要了解不同物種的大腦是如何進(jìn)化的，這樣科學(xué)家就可以根據(jù)大腦的創(chuàng)新和適應(yīng)來(lái)定制方法。"
參考資料
[1] “Isochronic development of cortical synapses in primates and mice" by Gregg Wildenberg, Hanyu Li, Vandana Sampathkumar, Anastasia Sorokina and Narayanan Kasthuri, 4 December 2023, Nature Communications.
