这些微型“大脑”可能有助于揭开人脑的神秘面纱

本文最初发表于我们 2022 年 5 月/6 月刊，标题为“追溯大脑”。点击此处订阅，阅读更多此类文章。

人脑进化的秘密可能就藏在神经科学家 Alysson Muotri 自 2011 年以来在加州大学圣地亚哥分校实验室培育的数千个微型“大脑”——类器官中。

他的团队将一个尼安德特人基因植入每个类器官中，以了解它如何影响大脑生长。这项实验标志着一项努力的开始，旨在了解基因突变如何使我们的大脑与早期人类祖先以及我们最亲近的进化近亲——类人猿——区分开来。在这场智力探索中，Muotri 和世界各地的其他科学家开创了三维培养脑细胞的技术——这是一种复兴过去的创新方法。

这种神秘大约在 700 万年前出现，当时我们的灵长类亲戚与黑猩猩的祖先分道扬镳。在那次分裂之后，某种东西使人类谱系能够长出更大的大脑。最终，人类大脑的平均体积膨胀到黑猩猩大脑的 3 倍。这必然是基因突变的结果——而大脑类器官正在帮助科学家揭示究竟是哪些基因参与其中。

这些实验室奇迹源于东京理研科学研究所（RIKEN）的 Yoshiki Sasai 于 2008 年首次公布的一个概念。Sasai 将细胞悬浮在一种营养液中，这种营养液促进了它们形成三维培养物。这种细胞增殖方式比在普通培养皿中培养的典型细胞培养物更接近身体的自然过程。在 Muotri 的案例中，他使用化学物质将干细胞转化为神经元。三到四周后，每个神经祖细胞开始形成独立的大脑类器官。

然而，类器官并非完美模型。据 Muotri 称，平均而言，人脑约有 100,000 种不同类型的细胞和为自身提供营养的血管。大脑类器官通常只有十几种细胞类型，并且缺乏血管。这限制了它们只能代表大脑发育的早期阶段。尽管如此，它们仍然可以进行在活人或类人猿身上在后勤上（或伦理上）不可能进行的实验。

利用这些模型，Muotri 的团队希望确定一个名为 NOVA1 的基因的尼安德特人变体，该基因参与大脑发育，其功能可能与现代人类版本不同。他们首先比较了先前发表的尼安德特人基因组与当前人类基因组，并确定了两者之间存在差异的 61 个基因。然后，他们专注于培育携带 NOVA1 两种不同变体的类器官，该基因与早期神经元和突触发育有关。神经元通过在称为突触的间隙中传递电信号来驱动大多数大脑活动；这构成了思维的生物基础。最终，像 NOVA1 这样的基因使人脑成为可能。鉴于该基因对大脑的影响，Muotri 预测“尼安德特化”类器官与现代人类类器官之间会存在显著差异。

由于尼安德特人 NOVA1 的基因密码与现代人类的密码只有一个字母之差，因此在干细胞变成神经元并长成类器官之前，编辑该基因相对简单。“我们正在寻找那些容易解决的问题，”Muotri 说，“而 NOVA1 符合所有条件。”

Muotri 的团队培育了 3,000 到 5,000 个尼安德特化类器官，并与数量相似的现代人类类器官进行了比较。尼安德特化类器官相对较小且形状不规则。正如 2021 年 2 月《科学》杂志的一项研究报告所述，研究人员还检测到了神经元相互作用的差异以及与突触放电相关的蛋白质的变化。这可能表明已灭绝的人类，包括尼安德特人，其思维方式与现代人不同。

但 Muotri 警告说，单一的突变只能揭示尼安德特人大脑的有限信息。他补充说，尼安德特人 NOVA1 在一个完整的基因组中可能以不同的方式运作。当 NOVA1 开启和关闭时，基因或“调控” DNA 可能会发生变化，从而影响尼安德特人神经元的生长。Muotri 实验室未来的工作将试图弄清楚其他尼安德特人基因如何影响脑细胞生长，以及人类和尼安德特人大脑之间的更广泛差异。

我们也可以从我们更遥远（也更毛茸茸）的亲戚那里了解人类大脑的进化。直到 200 万年前，人类祖先的大脑在大小和形状上与黑猩猩的大脑没有太大区别。但是尼安德特人和现代人类的大脑都比类人猿的大，而原因尚不清楚。英格兰医学研究委员会分子生物学实验室的 Madeline Lancaster 的实验室找到了一个潜在的解释。通过兽医程序获取黑猩猩和大猩猩的细胞，Lancaster 培育了干细胞培养物来生长大脑类器官。她将其与由人类细胞制成类器官进行了比较——这在某种程度上类似于 Muotri 对尼安德特人基因的研究——并观察了它们的生长情况。

结果是：Lancaster 表示，如去年 4 月发表在《细胞》杂志上的一篇论文所述，人类大脑发育得更慢。黑猩猩类器官在大约五天内迅速成熟，在此期间，干细胞转化为神经祖细胞，然后成熟为神经元。几乎所有物种的大脑神经元都来自于这些中间祖细胞的供应。人类大脑在这个过渡阶段多花了一天，这使得祖细胞能够完成一次额外的细胞分裂。这一额外步骤使得人类大脑能够容纳比黑猩猩或大猩猩大脑多约一倍的神经元。这种特性可能来自一种被称为 ZEB2 的蛋白质，它会向大脑发出信号，停止神经祖细胞的产生并开始将它们转化为神经元。人类产生 ZEB2 的时间比猿类晚，这为产生最终形成神经元的细胞提供了更多时间。

要确定 NOVA1 基因的关键突变发生的时间，以及 ZEB2 蛋白质背后的基因的时间，仍然很困难。但是化石记录提供了人类祖先大脑开始膨胀的确切证据。瑞士苏黎世大学的古人类学家 Christoph Zollikofer 和 Marcia Ponce de León 在 2021 年 4 月《科学》杂志上发表的一项关于人类祖先头骨内部的综合研究中，他们使用了计算机扫描来检查大脑印痕，并表明 170 万年前的人类祖先保留了类似猿的大脑结构。大约 150 万年前，当直立人进化时，人类大脑结构的特征——额叶和顶叶的扩张——开始出现。“人类进化的前 500 万年基本上是关于运动能力，可能还有饮食，而不是大脑，”Zollikofer 说。

即使拥有类似猿的大脑，早期人类祖先也取得了许多成就。大约 200 万年前，人类祖先首次离开非洲并发明了石器。“我们认为行为改变、文化改变先于大脑向新方向进化，”Zollikofer 说。他描述了一个反馈循环，其中日益复杂的行为产生了进化压力，促使大脑进化得更大，能够处理日益困难的任务，例如说复杂的语言和维护更广泛的社交网络。

未来，大脑类器官将在研究哪些人类基因组变化使我们的祖先能够发展出今天的思维方面发挥关键作用。Lancaster 未来的工作将侧重于人类发育时间方面的研究，例如确定哪个基因会开启 ZEB2 蛋白质以发育成神经元。

至于 Muotri 的实验室，他们计划创建类器官来探索区分尼安德特人与现代人类的另外 60 个基因突变。Muotri 表示，至少有四个这样的突变在某种程度上会影响大脑。他希望通过研究它们能够揭示是什么让智人的思想独一无二。“现在有一种趋势认为，尼安德特人与我们非常相似，你可以在地铁里见到他们，他们也不会被认出来，但我认为我们的研究表明他们非常不同，”Muotri 说。