解开人类大脑皮质中间神经元发育之谜

编译 米斛

大脑皮质是人类大脑最大的组成部分，是人脑最大的信息处理中心，承担着脑的高级功能。中间神经元是大脑皮质两种主要的神经元之一。其数量随皮质体积的增加而增加，但人类的中间神经元的种类却与啮齿类动物相似。时颖超等人报道了人和小鼠指导中间神经元分化的十分保守的基因网络，解释了相同种类的中间神经元是如何在不同物种中出现的。梅赛德斯·帕雷德斯（Mercedes F.Paredes）等人发现中间神经元在胚胎脑部一种独特的细胞结构中发育，而且相比啮齿类动物，人类中间神经元的发育时间长得多。这也解释了中间神经元数量是如何增加的。这些研究帮助我们理解人类大脑皮质中间神经元的发育过程，并为人类疾病研究提供了基本的框架。

随着单细胞分离技术、大规模基因表达技术和数据分析工具的进步，科学家现在能够对不同物种的神经元进行分析和比较。在成年大鼠的大脑皮质中已经发现了40～60种中间神经元亚种，而这些亚种的同源细胞也在人类中发现。各个同源细胞在人类与大鼠中的数量、分布、基因表达和形态则不尽相同。那么中间神经元多样性的意义是什么？

科学家已经明确了一些数量较多的中间神经元的功能，但还远远没有了解全部中间神经元在皮质和动物行为中的功能。到目前为止，我们还未能理解中间神经元的全部多样性，也无法在活体中辨识出不同的中间神经元。随着基因技术和工具的发展，我们能够更加清晰地寻找和成像单个神经元，我们对各种神经元功能的理解也越发深入。

小鼠皮质中间神经元的来源已广泛研究。小鼠中间神经元主要来源于大脑皮质下区域的内侧和尾侧神经节隆起。这两个结构也存在于人类胚胎大脑中，在切片培养实验中可以发现不成熟的皮质中间神经元向发育中的皮质迁移。但我们仍未揭示40～60种皮质中间神经元是如何从两个干细胞群发育而来的。我们已经明确了啮齿类动物的神经干细胞和未成熟的皮质中间神经元中基因表达的主要调节机制，但尚不足以解释皮质中间神经元实际上的复杂程度。因此有人提出了“先天与后天”的概念：部分多样性可能形成于皮质中间神经元进入皮质并定居在其最终部位之后。

为了分析中间神经元在其来源部位中分化的程度，科学家对从小鼠和人类胚胎神经节隆起分离出的单个细胞进行了转录组学分析。这需要科学家从胚胎大脑中分离神经祖细胞、神经干细胞和新生成的神经元，以及分析每个细胞中基因表达的特征。四方面研究都表明，那些基因水平已分化的未成熟的皮质中间神经元亚型在神经节隆起中形成后，很快就能在其迁移入大脑皮质之前被发现。这与目前认为的细胞在到达迁移目的地之后再获得其主要特征相矛盾。这些发现还表明中间神经元成熟时表现出的转录组特征在很大程度上在其出生时就由其来源确定。时颖超等人也发现小鼠和人类促使皮质中间神经元主要发育过程的基因网络是很保守的，这些基因网络与中间神经元迁徙入皮质、特化以及最终获取其细胞特征相关。这也清晰地解释了为何两个物种的中间神经元十分相似。但很多问题仍然未解决，例如基因网络和表观遗传学调控因子是如何通过调控翻译过程让细胞形成不同的转录组特征，以及来自相邻神经元和胶质细胞或者来自大脑之外的信号是如何影响这些发育事件的。

既然中间神经元基因网络和多样性在生物进化过程中是保守的，那么中间神经元的数量是如何在人体内扩增的呢？帕雷德斯等人在人类内侧神经节隆起中发现了一些特别之处。在小鼠的内侧神经节隆起中，分裂的中间神经元祖细胞主要分布在内侧神经节隆起中靠近中央腔的部位。而与小鼠不同，人类的中间神经元祖细胞在分裂过程中会分布到脑实质中，与新生的神经元混合在一起。除此之外，帕雷德斯等人还发现新分化的细胞依然会持续分裂，直至有丝分裂后期。这些发现表明人类大脑皮质中的中间神经元数量相比啮齿类动物更多，而这不仅与祖细胞分布区域的大小有关，还与该区域中的神经源性细胞的种类数量以及神经发育持续的时长相关。一般认为，人脑中神经元数量增多是人脑高度发达的基础。更多神经元让我们相比其他物种拥有了更大的大脑以及更强的思考能力。各项研究都表明，神经系统多样性和细胞增殖的起始阶段是胚胎发育最重要也是最脆弱的阶段。在胚胎发育期间，基因异常和外界干扰都会导致永久的脑部发育异常和功能丧失。

建立人类大脑皮质中间神经元细胞库

皮质中间神经元发生过程中的基本发育步骤和相关的基因网络在人类与小鼠中是类似的。这使得人类和小鼠有着相同的中间神经元亚型细胞，只是在数量上不同。在发育过程中，通过向干细胞库加入不同的能够分裂的细胞，人类的中间神经元逐渐扩增。

一直以来，皮质中间神经元缺陷被认为与包括自闭症在内的儿童时期起病的疾病相关，而这些神经元功能减退则与癫痫相关。通过将内侧神经节突起中的中间神经元祖细胞移植入小鼠大脑皮质，小鼠能够补足缺失或异常的中间神经元。这些植入的细胞可以在宿主大脑中迁移到正确的位置，整合入宿主大脑并在其中成熟。这些在小鼠体内进行的实验为治疗中间神经元缺陷描绘了良好的前景。一些突破性的研究已经证实小鼠和人的胚胎干细胞与诱导多能干细胞能够产生皮质中间神经元，让个体化的治疗成为可能。帕雷德斯等人证实了人类来源的胚胎内侧神经节突起细胞能够在移植入小鼠大脑后完全成熟并参与组成神经通路。这项工作不仅进一步印证了皮质中间神经元在人和小鼠两个物种中都是很保守的，还提示研究人员可以将人类的神经祖细胞或刚分化的细胞移植入小鼠皮质来研究人类中间神经元的生理、病理，并让研究者得以在活体中研究潜在的、治疗相关疾病的药物及疗法。

临床前模型研究是将皮质中间神经元疗法合理应用于临床之前的关键步骤。该模型能够解决很多问题，例如寻找能够通过移植治疗的疾病，并找到在这些疾病发病过程中起到关键作用的中间神经元亚型。该模型也能用于研究各个疾病的最佳治疗窗口，以及在进行移植后这些皮质中间神经元的发育、分化、整合和生存。各个疗法的疗效也能用该模型确认。当前，即使一系列临床前研究尚在完善中，第一个将中间神经元疗法用于治疗单侧内侧颞叶癫痫的人体临床试验（NCT05135091）已经准备完毕。该实验将是人类皮质中间神经元移植疗法的第一个临床试验。

资料来源Science