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原标题:或将解密,人类大脑皮层新评定出75种差别细胞类

浏览次数:107 时间:2019-10-13

人类大脑皮层新鉴定出75种不同细胞类型

原标题:人脑独有全新神经元“玫瑰果”被发现!或将解密“人之所以为人”

有助解释为何人比其它动物智力更高

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科技日报北京8月22日电 据英国《自然》杂志22日发表的一项研究,美国艾伦脑科学研究所科学家利用单核RNA测序技术,鉴定出了人类大脑皮层某区域中的75种不同细胞类型。通过与小鼠的类似脑区比较,研究人员发现了二者在结构和细胞类型方面的相似性,但也存在相当多的差异。这强调了在研究模式生物之外,直接研究人脑的重要性。

一颗小小的脑中包含庞大的神经元群体,其复杂程度完全不亚于整个宇宙星体。

人脑的大脑皮层比其它动物大得多,被视为复杂思想的产生之处。枕叶负责处理视觉,颞叶负责处理声音和语言,海马体和杏仁核掌管记忆与情绪,顶叶则负责整合各感官输入的信息。但如果从比重上来看,虽然人脑占全身重量的比重非常高,但其它很多动物也是如此。此前研究认为,人类之所以有较其它动物更高的智力,一部分原因在于人脑的神经元和褶皱。

是什么让人类的大脑与众不同?”

以面积和神经元数量计算,人类大脑皮层是小鼠的1000多倍。虽然哺乳动物似乎都保留了基本的大脑皮层结构,但是过去的研究表明,人类大脑皮层的细胞组成与其他哺乳动物存在差异。

这是人类最感兴趣的问题,同时也是神经生物学家最难回答的问题之一。

此次,艾伦脑科学研究所科学家埃德·雷恩及其同事,使用单核RNA测序技术,分析了人脑颞中回内的细胞类型,发现存在75种不同的细胞类型,包括6种非神经元细胞、24种兴奋性细胞和45种抑制性细胞。

而今,也许研究者们离答案又近了一步。在本周一 Nature Neuroscience 上发表的一篇研究中,来自美国及欧洲的 34 名科学家通力合作,使用转录组学、形态学及生理学方法,共同发现了一种**新型的人类大脑细胞——“玫瑰果神经元”(rosehip neurons)。**

随后,研究团队采用小鼠单细胞RNA测序数据集,做出了详细的人鼠大脑皮层对比,从而发现人类拥有的大部分细胞类型,在小鼠脑内都有对应。

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但是研究团队也发现,在对应细胞类型之间,基因表达水平方面存在差异。譬如,血清素受体是这两个物种之间差异第二大的基因家族。研究人员认为,这意味着如果用小鼠模型来研究涉及人类血清素信号传导的神经精神疾病,可能会产生误差。

图|研究者在人脑中发现新的神经细胞类型 (来源:TAMAS LAB)

这种细胞位于人脑皮质顶层(抑制性神经元聚集区),周围有茂密的丛状神经纤维束(轴突),因其中心形似脱去花瓣的玫瑰果而得名“玫瑰果神经元”(rosehip neurons)。目前,该细胞仅在人脑中发现,并不存在于小鼠或其他实验动物脑中。

这一最新发现也随之引发很多疑问,包括:在人类的行为及思维中,这种细胞是作为何种角色出现?它是否可以在灵长类动物和其他认知先进的物种中找到?但由于并未在其他实验动物中发现该细胞类型,也就意味着目前并没有合适的模型用以验证其功能等相关问题

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图 | Nature Neuronscience 相关报道(来源:Nature Neuronscience)

更严峻的问题是,如果人类的大脑中存在一种特殊的神经元,这种神经元及其相关信号通路在小鼠及其他实验动物中并不存在,那是否意味着以当前动物模型所进行的神经科学的研究结果都是错误扭曲的甚至是不可信的呢

“如果我们想要了解人类大脑是如何工作的,我们就需要从人类或密切相关的物种入手,”该论文的共同作者,来自艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)的神经科学家 Trygve Bakken 说,而此项研究结果很可能成为神经科学的新起点

两种思路的共同发现

在最初的研究中,来自艾伦脑科学研究所的 Ed Lein 与来自匈牙利赛格德大学(University of Szeged)的 Gábor Tamás 分别带领团队,在发现人类脑细胞类型的课题上,独立开展探究。Tamás 的团队采取了神经科学的经典方法,在形态学上对细胞进行分类检验,而 Lein 的团队则是在转录组水平上对人与小鼠的神经细胞类型进行比对区分。

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图丨Gábor Tamás (左)与 Ed Lein(右)

“我们的确不知道是什么让人脑与众不同,”来自艾伦脑科学研究所的 Ed Lein 说到,“但从细胞及神经通路基因表达水平差异着手是个很好的切入点,更重要的是,我们如今有趁手的新工具。”

Ed Lein所提到的“新技术”正是近年来颇为流行的单细胞 RNA 测序技术。自神经解剖学家 Santiago Ramón y Cajal 通过绘画对神经系统结构进行描绘以来,神经生物学家们开始习惯于使用形态生理学方法对神经细胞进行分类,尽管百余年间,显微镜变得越来越高端,可在区分细胞类型上现代神经科学领域却没有太多长进,仍旧依靠大量的人力对细胞形态及功能进行判断

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图| 《生活大爆炸中》Sheldon 为 Amy 挑选 Cajal 的著名神经元手绘稿作为礼物(来源:美剧《生活大爆炸》)

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图 | Cajal 著名的神经元手绘稿(来源: cajal 手稿)

而单细胞 RNA 测序技术则可以从转录水平对单个细胞中的基因表达进行测定,从而根据其表达模式进行聚类分析,更加准确快捷。

在 Lein 团队的研究中,他们选择的大脑组织样本来自两名 50 岁左右的男性死者,研究者们以大脑皮层的上层,即新大脑皮质(neocortex)作为研究对象。这是人类大脑皮层中最外层的区域负责人类认知及其他人类特有的高级能力

与 Lein 的团队不同,Tamás 采用了经典的神经学方法,他通过对活体组织样本进行染色观察及记录电刺激反应识别出一种新型的神经细胞--玫瑰果细胞

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图 | 玫瑰果(来源:Pixabay)

Tamás 和他的博士生 Eszter Boldog 将新发现的神经细胞命名为“玫瑰果”,**是由于该新型神经元周围有茂密丛状神经纤维束,且轴突向末梢与其他神经元进行信息传递的区域即轴突终扣(axonal boutons)异常膨大,形态酷似脱去花瓣的玫瑰果**。

几年前,Tamás 造访艾伦研究所,并展示了其团队关于人脑细胞类型的最新研究成果,两个团队猛然发现他们各自独立使用截然不同的方法与思路发现了同一种神经细胞——“玫瑰果神经元”。这种“不期而遇”更是二者的一次互相证明,随后两个团队开展了合作。

难以模拟的“人性”

位于大脑皮层顶层,玫瑰果神经元与锥体神经元形成突触,锥体神经元是前额皮质中的主要兴奋性神经元。“我们都有抑制性神经元和兴奋性神经元,”Bakken 说,“而本次研究的新发现就在于,这种神经细胞的形状连接以及所表达的基因都是与众不同的。”

“就像是制动系统,”Lein 说到,兴奋性神经元可以将信息传递到临近细胞,而抑制性神经元则可以像刹车一样,减缓或阻断兴奋性神经元的放电行为

而玫瑰果神经元的特殊之处在于,其只与连接细胞的某特殊部分结合,如果将所有的抑制神经元都想象成汽车上的刹车,那么玫瑰果神经元就是那个能让汽车在特定位置停下的刹车。除此之外,哪也不停,而对于一些汽车(或动物大脑)来说,压根就没有这种刹车(玫瑰果神经元),这意味着人类很可能正是借助这一特殊的结构特点控制细胞间信息流的传递,从而在认知上“更胜一筹”。

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图 | 玫瑰果神经元(上)与锥体神经元(下)形成突触(来源:TAMAS LAB)

目前,该新型神经元的具体功能仍然是未知数,但据估测玫瑰果神经元在新皮质最外层(Layer I)的抑制性神经元中占比 10-15%,在其他脑区可能占比更少。根据其轴突终扣的位置表明,玫瑰果神经元可能对全脑的兴奋性输入有强大的抑制调控作用

仅于人脑中发现,但并不存在于小鼠或其他实验动物脑中,这意味着通过小鼠等实验动物作为模型进行人类神经功能验证很可能根本就无法模拟出独特的“人性”

在文中,研究者们指出,以小鼠或其他啮齿类动物作为动物模型用以验证人类认知的方法值得批判性评估。“在基础研究层面,(人与啮齿类动物)物种之间存在很多相似的部分,因而不应该完全抹杀动物模型的价值,”Bakken 说到,“但在这个过程中,研究者头脑中必须对两者之间的区别有清醒的认识,人类大脑并非只是大一号的小鼠大脑。”

对于人类很多器官的研究,研究者们都可以通过实验动物合理的建立模型,但人类大脑的认知能力以及输出行为正是人类区别于动物的所谓“人性”,也许实验模型很容易寻找,但“人性”才是真正难以模拟的部分

由于目前并不能完全确定玫瑰果神经元是人类特有的,因而在后续的研究中,研究者们将进一步在其他灵长类动物大脑中进行确定。同时,研究者们也将从精神障碍患者的大脑样本中寻找玫瑰果神经元,探索该种细胞在脑部疾病中的潜在作用。

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