科学家发现人类如何发育比其他猿类更大的大脑

一项新的研究首次发现人脑如何成长，与黑猩猩和大猩猩的大脑相比，神经元的数量增加了三倍。由英国剑桥医学研究理事会（MRC）分子生物学实验室的研究人员领导的这项研究确定了一个关键的分子开关，它可以使猿类脑类器官变得更像人类类器官，反之亦然。

这项研究发表在journalCell上，比较了“脑器官”（3D组织，该3D组织是从人类早期，大猩猩和黑猩猩干细胞生长的干细胞生长而成的，该细胞模拟了早期的大脑发育）。

与实际的大脑类似，人脑的类器官比其他猿类的类器官长很多。

人脑类器官比大猩猩和黑猩猩脑类器官长大（从左到右）。这些脑类器官有5周大。

负责这项研究的MRC分子生物学实验室的Madeline Lancaster博士说：“这提供了关于人类大脑发育的不同之处的一些初步见解，这使我们与最亲近的亲戚，其他伟大的猿猴区分开来。我们和其他猿类之间最显着的差异就是我们的大脑有多么难以置信的强大能力。”

在大脑发育的早期阶段，神经元是由称为神经祖细胞的干细胞产生的。这些祖细胞最初具有圆柱形状，这使它们易于分裂成具有相同形状的相同子细胞。

在此阶段，神经祖细胞繁殖的次数越多，以后出现的神经元就越多。

随着细胞的成熟和增殖的减慢，它们会伸长，形成一个形状像拉伸的冰淇淋蛋筒。

此前，对小鼠的研究表明，它们的神经祖细胞成熟为圆锥形，并在数小时内减慢了增殖速度。现在，大脑类动物器官使研究人员能够发现这种发展如何在人类，大猩猩和黑猩猩中发生。

他们发现，在大猩猩和黑猩猩中，这种转变需要很长时间，大约需要五天。

仅五天后，大猩猩神经祖细胞已成熟为圆锥形（右），而人类细胞（左）则保持圆柱形。

人类祖细胞在此过渡过程中的延迟甚至更长，大约需要7天的时间。人类祖细胞保持圆柱状的形状比其他猿类更长，并且在此期间它们分裂的频率更高，从而产生更多的细胞。

从神经祖细胞到神经元的过渡速度的这种差异意味着人类细胞有更多的时间繁殖。与大猩猩或黑猩猩的大脑相比，这可能是造成人类大脑中神经元数量增加大约三倍的主要原因。

兰开斯特博士说：“我们发现，早期大脑中细胞形状的延迟变化足以改变发育过程，有助于确定神经元的数量。

“值得注意的是，细胞形状相对简单的进化变化可能会对大脑进化产生重大影响。我觉得我们真的已经学到了一些关于我一直在感兴趣的问题的基础知识，只要我能记住，这就是使我们变得人性化的原因。”

马德琳·兰卡斯特（Madeline Lancaster）博士及其团队位于MRC分子生物学实验室。

为了揭示导致这些差异的遗传机制，研究人员比较了人猿类器官与其他类人猿中的基因表达（即打开和关闭了哪些基因）。

他们发现了称为“ ZEB2”的基因的差异，该基因在大猩猩脑类器官中的开启时间比人类类器官中的开启时间要早。

为了测试该基因在大猩猩祖细胞中的作用，他们延迟了ZEB2的作用。这减慢了祖细胞的成熟，使大猩猩脑类器官的发育与人类更相似-变慢且变大。

相反，在人类祖细胞中更早打开ZEB2基因可促进人类类器官的过早转化，因此它们的发育更像猿类器官。

研究人员指出，类器官是一个模型，并且像所有模型一样，不能完全复制真实的大脑，尤其是成熟的大脑功能。但是对于有关我们进化的基本问题，菜中的这些大脑组织提供了前所未有的视角来观察大脑发育的关键阶段，否则将无法进行研究。

兰开斯特博士是在2013年创建第一个大脑类器官的团队的成员。

参考：Silvia Benito-Kwiecinski，Stefano L. Giandomenico，Magdalena Sutcliffe，Erlend S.Riis，Paula Freire-Pritchett，Iva Kelava，Stephanie Wunderlich，Ulrich Martin，Gregory A.“早期的细胞形状转变驱动着人类前脑的进化扩展”。 Wray，Kate McDole和Madeline A.Lancaster，2021年3月24日，Cell.DOI：
10.1016 / j.cell.2021.02.050

这项研究由医学研究理事会，欧洲研究理事会和英国癌症研究基金会资助。