科学家：在人类出生前，有两种神秘的力量帮助构建了人脑

一颗受精卵怎么长成一个有思考、有记忆、有语言能力的人？
这个问题的答案藏在胎儿时期的大脑里。


那里有一群特殊的干细胞（外放射状胶质细胞），他们就像施工队一样，一点点的搭建出整个大脑皮层。
而最近（26年8月和9月）两项发表在顶级期刊《细胞》和《科学》上的研究发现，这群特殊的细胞组建大脑皮层有一套之前我们从未知晓的机制，它们一直在听从某种信号，而指挥它们的，是两种此前都未被注意到的力量。
外放射状胶质细胞
每个人的大脑皮层，也就是负责思考、记忆和语言的这层薄薄的脑组织，在胎儿时期是由一群神经干细胞一点点建起来的。
这群干细胞很特别：它们既能自己繁殖变多，又能变成各种各样的脑细胞，有的负责传递兴奋信号，有的负责刹车，有的负责后勤。
人类的大脑皮层之所以比其它物种大得多、沟回也复杂得多，很大程度上就是因为这群干细胞在人类胎儿时期特别强的分裂和分化。


但有一个问题：它们是怎么知道什么时候该繁殖、什么时候该变成哪种细胞的？
以前科学家只知道它们会长大、会分化，但谁在下命令一直没有搞清楚。
美国加州大学洛杉矶分校的巴杜里教授团队，从两个完全不同的角度回答了这个问题。
第一股力量
以前大家觉得，细胞里的新陈代谢就是后勤部门，像什么提供能量、基础分子材料了。
但《细胞》这项研究发现，代谢不只是后勤，细胞的代谢活动本身，就可以左右干细胞会变成哪一类脑细胞。


在这次研究中，研究人员同时用了两种实验材料：一种是自愿捐献的人类胎儿脑组织，另一种是在培养皿里用干细胞培养出来的迷你大脑。
他们把发育过程中细胞的代谢从头到尾画了一张详细图谱。
结果发现，当胎儿大脑开始大批量制造神经细胞的时候，细胞里有一条叫"磷酸戊糖途径"的代谢通路会突然全速运转。
这条通路不完全用来产生能量，它主要干一件事：生产细胞快速分裂所需的各种基础分子。
这正好匹配外放射状胶质细胞高速增殖、源源不断制造神经元的节奏。


那如果不给提供足够的能量，或者抑制这条通路会怎样？
实验结果很清楚：这群细胞的分化选择会发生明显偏转。
原本大量生成的深层和上层兴奋性神经元比例下降，而外放射状胶质细胞和星形胶质细胞的比例上升，抑制性神经元也有所增加。
而最关键的一个实验叫回补验证。
研究人员往培养皿里加了核糖，磷酸戊糖途径的核心产物。
结果，这群细胞又慢慢回到了原来的轨道，该产什么细胞就产什么细胞，细胞里的能量水平也恢复了正常。
这说明不是单纯缺营养导致的问题，而是这条代谢通路本身直接参与干细胞的命运抉择。
第二股力量
如果代谢是干细胞的内部信号，那第二种力量就来自大脑的另一个地方——丘脑。


丘脑深埋在大脑内部，你可以把它想成一个总机：全身的感觉信号都要经过它，再转发到大脑皮层。
科学家很早以前就发现，人类胎儿发育极早期，丘脑就会长出长长的神经纤维伸向大脑皮层。
但这个时期皮层的神经元还远未成熟，根本未能建立起常规的神经信号突触。
所以这些纤维提早抵达，其目的一直是个谜。
巴杜里团队这次用迷你丘脑和迷你皮层在培养皿里拼在一起，让它们自己长，终于看清了答案：这些早期神经纤维瞄准的对象并不是成熟神经元，而是外放射状胶质干细胞。


丘脑长出的神经纤维和外放射状胶质细胞发生实实在在的物理接触，依靠一对蛋白分子完成对接：丘脑神经纤维表面的NRXN1，和胶质细胞表面的NLGN1相互结合。
接收到该信号之后，外放射状胶质干细胞会制造更多兴奋性神经元，尤其是偏向生成大脑皮层上层神经元，而这类上层神经元，正是人类演化中扩增最明显、支撑高级认知功能的细胞群体。
研究还通过基因敲除证明，一旦阻断NRXN1，丘脑与干细胞之间的物理接触和后续的神经促进效应都会减弱。


两项研究的本质
两项研究，一个研究看的是细胞内部代谢，另一个看的是大脑区间物理接触，两件事看起来毫不相干，但它们说的其实是同一个道理：
外放射状胶质干细胞不是闷头只干活，它们一边听着自己内部的消息，一边感受着来自远处的物理触碰，它们根据这些信息随时调整自己的分化方向。
正是这种灵活的变化，才让人类大脑最终长得这么复杂、这么精巧。
巴杜里教授说，这些研究最大的启发是：代谢和物理连接从来都不只是发育的辅助配套，它们本身就是决定干细胞命运的重要指令。

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