这就是人类大脑变大的过程：我们的细胞应对尺寸的压力

这就是人类大脑变大的过程：我们的细胞应对尺寸的压力

与我们的灵长类亲戚相比，人类已经进化出了不成比例的大大脑——但这种神经系统的升级是有代价的。研究这种权衡的科学家发现了独特的遗传特征，揭示了人类脑细胞如何应对保持大脑功能正常运转的压力。这项研究可以开辟新的方法来更好地了解帕金森氏症和精神分裂症等疾病。

该研究发表于 11 月 15 日 1 重点关注产生神经递质多巴胺的神经元。这对于运动、学习和情感处理至关重要。

通过比较来自人类、黑猩猩、猕猴和猩猩的数千个实验室培养的多巴胺神经元，研究人员发现，人类多巴胺神经元比其他灵长类动物的神经元表达更多促进破坏性抗氧化剂活性的基因。

威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家安德烈·苏萨（Andre Sousa）解释说，这些结果尚未经过同行评审，是朝着“理解人类大脑进化以及与之相关的所有潜在积极和消极方面迈出的一步”。 “真正找出人脑的特殊性是有趣且重要的，这有可能在未来开发新疗法甚至预防疾病。”

应激神经元

该研究的合著者、旧金山加利福尼亚大学的神经科学家亚历克斯·波伦（Alex Pollen）表示，正如直立行走会导致膝盖和背部问题，下巴结构和饮食的变化会导致牙齿问题一样，人类大脑在进化过程中的快速扩张也给其细胞带来了挑战。 “我们假设发生了类似的过程，并且这些多巴胺神经元可能代表脆弱的关节。”

波伦和他的团队利用成像技术表明，人类大脑中需要多巴胺的两个区域明显大于猕猴。前额叶皮层大 18 倍，纹状体几乎大 7 倍。

波伦说，尽管如此，人类的多巴胺神经元数量大约是其灵长类亲戚的两倍。因此，在更大、更复杂的人脑中，这些神经元必须进一步伸展并更加努力地工作，每个神经元形成超过两百万个突触。

“多巴胺神经元是真正的运动员，”康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的发育神经科学家内纳德·塞斯坦说。 “它们不断被激活。”

为了了解人类多巴胺神经元如何适应大大脑的需求，波伦和他的同事在实验室中培养了这些细胞的版本。

他们将来自八个人、七只黑猩猩、三只猕猴和一只猩猩的干细胞（可以发育成多种细胞类型）结合起来，并将它们培养成微型的类脑结构，称为类器官。 30 天后，这些结构开始产生多巴胺，模仿发育中的大脑。

然后，研究小组对多巴胺神经元进行了基因测序，以测量哪些基因被激活以及它们是如何受到调节的。

在对人类和黑猩猩神经元的分析中，研究人员发现，人类神经元表达了更高水平的管理氧化应激的基因，氧化应激是一种由多巴胺产生的能量密集型过程引起的细胞损伤。这些基因编码的酶可以分解和中和称为活性氧的有毒分子，这些分子会损害细胞。

为了研究人类多巴胺神经元是否可能进化出独特的应激反应，作者使用了一种对类器官造成氧化应激的杀虫剂。他们发现，由人类细胞发育而来的神经元增加了一种名为 BDNF 的分子的产生，而患有帕金森氏症等神经退行性疾病的人的这种分子的产生量会减少。然而，在黑猩猩神经元中没有观察到相同的反应。

加强复原力

了解这些保护机制可以支持开发增强帕金森病风险人群细胞防御能力的疗法。 “由于突变，其中一些保护机制可能并不存在于每个人身上，”苏萨解释道。 “这给这些人带来了额外的脆弱性。”

“有一些潜在的目标可能会非常有趣，可以扰乱它们，然后将其移植到帕金森病的[动物]模型中，看看它们是否能让神经元更具弹性，”波伦说。

研究中检查的类器官代表了与胚胎中存在的神经元相当的发育中神经元，并且没有捕获成年神经元的全部复杂性。苏萨说，未来的研究需要研究这种保护机制如何在成熟和衰老的神经元中持续存在，因为“影响这些细胞的退行性疾病通常发生在晚年”。

1. 诺布兰特，S.等人。 bioRxiv 的预印本： https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

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