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大脑什么时候长大?新发现震惊神经科学家

来源：作者：人气：-发表时间：2024-01-29 09:59:00【大中小】

摘要：最近的研究表明，老鼠和灵长类动物的大脑成熟速度相似。

最近的研究表明，尽管小鼠和灵长类动物的寿命不同，但它们大脑突触的发育速度相同。这一令人惊讶的发现挑战了神经科学先前关于衰老和疾病的假设，并为理解人类大脑发育和改善神经系统疾病治疗开辟了新的途径。

阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一项研究发现，寿命较短的小鼠和寿命较长的灵长类动物在完全相同的时间轴上发育大脑突触，这挑战了有关疾病和衰老的假设。但这对人类和过去的研究意味着什么呢?

图1 灵长类动物和小鼠皮层突触的等时发育

小鼠的寿命通常是2年，猴子的寿命是25年，但它们的大脑似乎是同时发育突触的。美国能源部阿贡国家实验室的神经科学家Bobby Kasthuri和他在芝加哥大学的同事们在最近的一项研究中发表了这一发现，这对神经科学家来说是一个震惊。

打破神经科学先前的假设

到目前为止，人们认为小鼠的大脑发育速度比其他更长寿的哺乳动物(如灵长类动物和人类)快。例如，那些研究两个月大的小鼠大脑的人认为，大脑已经发育完成，因为它的整体发育寿命较短。相比之下，2个月大的灵长类动物的大脑仍被认为正在经历发育变化。因此，2个月大的小鼠大脑与2个月大的灵长类动物的大脑并不是一个很好的比较模型。

这一假设似乎是完全错误的，作者认为，这将使许多使用年轻小鼠大脑数据作为研究各种人类疾病(包括自闭症和其他神经发育障碍)基础的结果受到质疑。

“神经科学，尤其是哺乳动物大脑的一个基本问题是，大脑是如何发育的?事实证明，哺乳动物的大脑在每个绝对阶段都以相同的速度成熟。我们将不得不重新思考衰老和发展，因为我们发现这是同一个时钟。”

研究方法和惊人的发现

Gregg Wildenberg是芝加哥大学的一名科学家，他和Kasthuri以及研究生Hanyu Li、Vandana Sampathkumar和Anastasia Sorokina一起是这项研究的主要作者。他仔细观察了非常年轻的小鼠大脑中放电的神经元和突触。他惊讶地发现，尽管小老鼠的大脑回路几乎没有可测量的连接，但它的爬行、进食和行为都和人们想象的一样。

“我想我在整个神经元上发现了一个突触，这是令人震惊的，”Wildenberg说。“这只活的小动物在出生六天后就在子宫外存在，在没有任何大脑神经元相互连接的情况下行为和体验世界。我们必须小心不要过度解读我们的结果，但它很吸引人。”

大脑神经元与其他器官细胞的神经元不同，因为大脑细胞处于有丝分裂后，这意味着它们永远不会分裂。在人的一生中，身体中所有其他的细胞——肝、胃、心脏、皮肤等等——都会分裂、替换、退化。这个过程从发育开始，最终过渡到衰老。然而，大脑是唯一在生命的第一天和最后一天具有基本相同细胞的哺乳动物器官。

探索发展之谜和技术进步

更复杂的是，每个物种的早期胚胎细胞看起来都是一样的。如果把鱼、老鼠、灵长类动物和人类的胚胎放在一个培养皿里，几乎不可能弄清楚哪个胚胎会发育成什么物种。在某个神秘的时刻，胚胎内发生了发育程序的变化，只出现了一个特定的物种。科学家们想要了解脑细胞在大脑发育中的作用，以及在物种的身体发育中的作用。

图2 灵长类动物和小鼠皮层兴奋性突触的等时发育

Kasthuri和他的团队能够推进他们最近的发现，要感谢阿贡领导计算设施(ALCF)，这是美国能源部科学办公室的一个用户设施。ALCF能够处理巨大的数据集——“兆兆字节，兆兆字节和更多兆兆字节的数据，”Kasthuri说。

在纳米尺度上观察脑细胞。研究人员使用超级计算机设备观察了这两个物种不同年龄的多个大脑样本中的每个神经元，并对每个突触进行了计数。Kasthuri说，如果没有ALCF，收集和分析这种程度的数据是不可能的。

回顾过去的研究，展望未来

Kasthuri知道许多科学家想要更多的数据来证实最近的研究结果。他自己也在新信息的背景下重新考虑过去的研究结果。

“我们之前做的一项研究是将成年小鼠的大脑与成年灵长类动物的大脑进行比较。我们认为灵长类动物比小鼠更聪明，所以每个神经元应该有更多的连接，更灵活，有更多的路线，等等，”他解释说。“我们发现情况正好相反。灵长类动物神经元的连接比小鼠神经元少得多。现在回过头来看，我们以为我们是在比较相似的物种，但事实并非如此。我们将一只3个月大的小鼠和一只5岁大的灵长类动物进行了比较。”

这项研究对人类的影响是模糊的。首先，在行为上，人类比其他物种发展得更慢。例如，许多四足哺乳动物在出生后的一个小时内就能走路，而人类通常要花一年多的时间才能迈出第一步。与其他哺乳动物的大脑相比，人类大脑中突触发育的规则和速度是否不同?

Kasthuri说:“我们相信，当我们能够观察人体组织时，一些非凡的、神奇的东西将会被揭示出来。人类可能处于完全不同的时间表上。“这就是所有其他哺乳动物物种的生物钟可能被打破的地方。”

Wildenberg希望在研究过程中收集的信息将导致更好地针对人类神经紊乱和疾病的药物的开发。

他说:“小鼠模型可能对开发心血管药物很有帮助，因为心脏基本上是泵，不同物种的工作原理相似。然而，开发治疗神经系统疾病的药物非常困难。重要的是要了解不同物种的大脑是如何进化的，这样科学家就可以根据大脑的创新和适应来定制方法。”

参考资料

[1] “Isochronic development of cortical synapses in primates and mice” by Gregg Wildenberg, Hanyu Li, Vandana Sampathkumar, Anastasia Sorokina and Narayanan Kasthuri, 4 December 2023, Nature Communications.