解開人類大腦皮質中間神經元發育之謎

編譯 米斛

大腦皮質是人類大腦最大的組成部分，是人腦最大的信息處理中心，承擔著腦的高級功能。中間神經元是大腦皮質兩種主要的神經元之一。其數量隨皮質體積的增加而增加，但人類的中間神經元的種類卻與嚙齒類動物相似。時穎超等人報道了人和小鼠指導中間神經元分化的十分保守的基因網絡，解釋了相同種類的中間神經元是如何在不同物種中出現的。梅賽德斯·帕雷德斯（Mercedes F.Paredes）等人發現中間神經元在胚胎腦部一種獨特的細胞結構中發育，而且相比嚙齒類動物，人類中間神經元的發育時間長得多。這也解釋了中間神經元數量是如何增加的。這些研究幫助我們理解人類大腦皮質中間神經元的發育過程，并為人類疾病研究提供了基本的框架。

隨著單細胞分離技術、大規模基因表達技術和數據分析工具的進步，科學家現在能夠對不同物種的神經元進行分析和比較。在成年大鼠的大腦皮質中已經發現了40～60種中間神經元亞種，而這些亞種的同源細胞也在人類中發現。各個同源細胞在人類與大鼠中的數量、分布、基因表達和形態則不盡相同。那么中間神經元多樣性的意義是什么？

科學家已經明確了一些數量較多的中間神經元的功能，但還遠遠沒有了解全部中間神經元在皮質和動物行為中的功能。到目前為止，我們還未能理解中間神經元的全部多樣性，也無法在活體中辨識出不同的中間神經元。隨著基因技術和工具的發展，我們能夠更加清晰地尋找和成像單個神經元，我們對各種神經元功能的理解也越發深入。

小鼠皮質中間神經元的來源已廣泛研究。小鼠中間神經元主要來源于大腦皮質下區域的內側和尾側神經節隆起。這兩個結構也存在于人類胚胎大腦中，在切片培養實驗中可以發現不成熟的皮質中間神經元向發育中的皮質遷移。但我們仍未揭示40～60種皮質中間神經元是如何從兩個干細胞群發育而來的。我們已經明確了嚙齒類動物的神經干細胞和未成熟的皮質中間神經元中基因表達的主要調節機制，但尚不足以解釋皮質中間神經元實際上的復雜程度。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中間神經元進入皮質并定居在其最終部位之后。

為了分析中間神經元在其來源部位中分化的程度，科學家對從小鼠和人類胚胎神經節隆起分離出的單個細胞進行了轉錄組學分析。這需要科學家從胚胎大腦中分離神經祖細胞、神經干細胞和新生成的神經元，以及分析每個細胞中基因表達的特征。四方面研究都表明，那些基因水平已分化的未成熟的皮質中間神經元亞型在神經節隆起中形成后，很快就能在其遷移入大腦皮質之前被發現。這與目前認為的細胞在到達遷移目的地之后再獲得其主要特征相矛盾。這些發現還表明中間神經元成熟時表現出的轉錄組特征在很大程度上在其出生時就由其來源確定。時穎超等人也發現小鼠和人類促使皮質中間神經元主要發育過程的基因網絡是很保守的，這些基因網絡與中間神經元遷徙入皮質、特化以及最終獲取其細胞特征相關。這也清晰地解釋了為何兩個物種的中間神經元十分相似。但很多問題仍然未解決，例如基因網絡和表觀遺傳學調控因子是如何通過調控翻譯過程讓細胞形成不同的轉錄組特征，以及來自相鄰神經元和膠質細胞或者來自大腦之外的信號是如何影響這些發育事件的。

既然中間神經元基因網絡和多樣性在生物進化過程中是保守的，那么中間神經元的數量是如何在人體內擴增的呢？帕雷德斯等人在人類內側神經節隆起中發現了一些特別之處。在小鼠的內側神經節隆起中，分裂的中間神經元祖細胞主要分布在內側神經節隆起中靠近中央腔的部位。而與小鼠不同，人類的中間神經元祖細胞在分裂過程中會分布到腦實質中，與新生的神經元混合在一起。除此之外，帕雷德斯等人還發現新分化的細胞依然會持續分裂，直至有絲分裂后期。這些發現表明人類大腦皮質中的中間神經元數量相比嚙齒類動物更多，而這不僅與祖細胞分布區域的大小有關，還與該區域中的神經源性細胞的種類數量以及神經發育持續的時長相關。一般認為，人腦中神經元數量增多是人腦高度發達的基礎。更多神經元讓我們相比其他物種擁有了更大的大腦以及更強的思考能力。各項研究都表明，神經系統多樣性和細胞增殖的起始階段是胚胎發育最重要也是最脆弱的階段。在胚胎發育期間，基因異常和外界干擾都會導致永久的腦部發育異常和功能喪失。

建立人類大腦皮質中間神經元細胞庫

皮質中間神經元發生過程中的基本發育步驟和相關的基因網絡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元亞型細胞，只是在數量上不同。在發育過程中，通過向干細胞庫加入不同的能夠分裂的細胞，人類的中間神經元逐漸擴增。

一直以來，皮質中間神經元缺陷被認為與包括自閉癥在內的兒童時期起病的疾病相關，而這些神經元功能減退則與癲癇相關。通過將內側神經節突起中的中間神經元祖細胞移植入小鼠大腦皮質，小鼠能夠補足缺失或異常的中間神經元。這些植入的細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。這些在小鼠體內進行的實驗為治療中間神經元缺陷描繪了良好的前景。一些突破性的研究已經證實小鼠和人的胚胎干細胞與誘導多能干細胞能夠產生皮質中間神經元，讓個體化的治療成為可能。帕雷德斯等人證實了人類來源的胚胎內側神經節突起細胞能夠在移植入小鼠大腦后完全成熟并參與組成神經通路。這項工作不僅進一步印證了皮質中間神經元在人和小鼠兩個物種中都是很保守的，還提示研究人員可以將人類的神經祖細胞或剛分化的細胞移植入小鼠皮質來研究人類中間神經元的生理、病理，并讓研究者得以在活體中研究潛在的、治療相關疾病的藥物及療法。

臨床前模型研究是將皮質中間神經元療法合理應用于臨床之前的關鍵步驟。該模型能夠解決很多問題，例如尋找能夠通過移植治療的疾病，并找到在這些疾病發病過程中起到關鍵作用的中間神經元亞型。該模型也能用于研究各個疾病的最佳治療窗口，以及在進行移植后這些皮質中間神經元的發育、分化、整合和生存。各個療法的療效也能用該模型確認。當前，即使一系列臨床前研究尚在完善中，第一個將中間神經元療法用于治療單側內側顳葉癲癇的人體臨床試驗（NCT05135091）已經準備完畢。該實驗將是人類皮質中間神經元移植療法的第一個臨床試驗。

資料來源Science