摘要：最近的研究表明，老鼠和靈長類動物的大腦成熟速度相似。
最近的研究表明，盡管小鼠和靈長類動物的壽命不同，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)疾病治療開辟了新的途徑。
阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的一項研究發(fā)現(xiàn)，壽命較短的小鼠和壽命較長的靈長類動物在完(空格)全相同的時間軸上發(fā)育大腦突觸，這挑戰(zhàn)了有關(guān)疾病和衰老的假設(shè)。但這對人類和過去的研究意味著什么呢?
圖1 靈長類動物和小鼠皮層突觸的等時發(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發(fā)育突觸的。美國能源部阿貢國家實驗室的神經(jīng)科學(xué)家Bobby Kasthuri和他在芝加哥大學(xué)的同事們在最近的一項研究中發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，這對神經(jīng)科學(xué)家來說是一個震驚。
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)育速度比其他更長壽的哺乳動物(如靈長類動物和人類)快。例如，那些研究兩個月大的小鼠大腦的人認(rèn)為，大腦已經(jīng)發(fā)育完成，因為它的整體發(fā)育壽命較短。相比之下，2個月大的靈長類動物的大腦仍被認(rèn)為正在經(jīng)歷發(fā)育變化。因此，2個月大的小鼠大腦與2個月大的靈長類動物的大腦并不是一個很好的比較模型。
這一假設(shè)似乎是完(空格)全錯誤的，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)，尤其是哺乳動物大腦的一個基本問題是，大腦是如何發(fā)育的?事實證明，哺乳動物的大腦在每個絕對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，因為我們發(fā)現(xiàn)這是同一個時鐘。"
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一起是這項研究的主要作者。他仔細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有可測量的連接，但它的爬行、進食和行為都和人們想象的一樣。
“我想我在整個神經(jīng)元上發(fā)現(xiàn)了一個突觸，這是令人震驚的，"Wildenberg說?！斑@只活的小動物在出生六天后就在子宮外存在，在沒有任何大腦神經(jīng)元相互連接的情況下行為和體驗世界。我們必須小心不要過度解讀我們的結(jié)果，但它很吸引人。"
大腦神經(jīng)元與其他器官細胞的神經(jīng)元不同，因為大腦細胞處于有絲分裂后，這意味著它們永遠不會分裂。在人的一生中，身體中所有其他的細胞——肝、胃、心臟、皮膚等等——都會分裂、替換、退化。這個過程從發(fā)育開始，最終過渡到衰老。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胞的哺乳動物器官。
探索發(fā)展之謎和技術(shù)進步
更復(fù)雜的是，每個物種的早期胚胎細胞看起來都是一樣的。如果把魚、老鼠、靈長類動物和人類的胚胎放在一個培養(yǎng)皿里，幾乎不可能弄清楚哪個胚胎會發(fā)育成什么物種。在某個神秘的時刻，胚胎內(nèi)發(fā)生了發(fā)育程序的變化，只出現(xiàn)了一個特定的物種?？茖W(xué)家們想要了解腦細胞在大腦發(fā)育中的作用，以及在物種的身體發(fā)育中的作用。
圖2 靈長類動物和小鼠皮層興奮性突觸的等時發(fā)育
Kasthuri和他的團隊能夠推進他們最近的發(fā)現(xiàn)，要感謝阿貢領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施(ALCF)，這是美國能源部科學(xué)辦公室的一個用戶設(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。
在納米尺度上觀察腦細胞。研究人員使用超級計算機設(shè)備觀察了這兩個物種不同年齡的多個大腦樣本中的每個神經(jīng)元，并對每個突觸進行了計數(shù)。Kasthuri說，如果沒有ALCF，收集和分析這種程度的數(shù)據(jù)是不可能的。
回顧過去的研究，展望未來
Kasthuri知道許多科學(xué)家想要更多的數(shù)據(jù)來證實最近的研究結(jié)果。他自己也在新信息的背景下重新考慮過去的研究結(jié)果。
“我們之前做的一項研究是將成年小鼠的大腦與成年靈長類動物的大腦進行比較。我們認(rèn)為靈長類動物比小鼠更聰明，所以每個神經(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。“我們發(fā)現(xiàn)情況正好相反。靈長類動物神經(jīng)元的連接比小鼠神經(jīng)元少得多?，F(xiàn)在回過頭來看，我們以為我們是在比較相似的物種，但事實并非如此。我們將一只3個月大的小鼠和一只5歲大的靈長類動物進行了比較。"
這項研究對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，許多四足哺乳動物在出生后的一個小時內(nèi)就能走路，而人類通常要花一年多的時間才能邁出第一步。與其他哺乳動物的大腦相比，人類大腦中突觸發(fā)育的規(guī)則和速度是否不同?
Kasthuri說:“我們相信，當(dāng)我們能夠觀察人體組織時，一些非凡的、神奇的東西將會被揭示出來。人類可能處于完(空格)全不同的時間表上?！斑@就是所有其他哺乳動物物種的生物鐘可能被打破的地方。"
Wildenberg希望在研究過程中收集的信息將導(dǎo)致更好地針對人類神經(jīng)紊亂和疾病的藥物的開發(fā)。
他說:“小鼠模型可能對開發(fā)心血管藥物很有幫助，因為心臟基本上是泵，不同物種的工作原理相似。然而，開發(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.
