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本帖最后由 邓文龙 于 2018-6-14 09:43 编辑
人类大脑为何是动物中最大的？多项研究给出新解释
2018-06-11 19:51
2018年6月11日/生物谷BIOON/---人类大脑为何是动物中最大的？许多人类学家认为，庞大的社会群体是人类大脑变得越来越大的驱动因素，但是也有一些科学家们对此提出异议。近年来，科学家们从多个角度对这个问题进行阐述。在此，小编进行一番梳理，以飨读者。
1.两篇Cell揭示一个让人类大脑比较大的特异性基因---NOTCH2NL
doi:10.1016/j.cell.2018.03.051; doi:10.1016/j.cell.2018.03.067
体外的人皮层细胞，图片来自Suzuki et al./Cell。
在过去的300万年中，更大大脑的进化在我们作为一个具有思考、解决问题和发展文化的能力的物种中起着重要作用。但是，让我们成为人类的大脑扩大背后的遗传变化一直是个迷。在两篇发表在2018年5月31日的Cell期刊上的论文中，两组研究人员鉴定出一个基因家族---NOTCH2NL，它似乎在人类特异性的皮层发育中起着重要作用，并且可能成为我们较大的大脑进化的一种驱动力。NOTCH2NL基因延长皮层干细胞分化为神经元，导致在整个发育过程中产生更多的神经元。这些基因仅在人类中发现，在人类大脑皮层的神经干细胞中高度表达，并位于与神经发育障碍相关的一个基因组区域中。 作为第一篇论文的资深作者，加州大学圣克鲁兹分校生物信息学家David Haussler说，“我们的大脑主要通过扩大大脑皮层的某些功能区域而变得三倍大，并且这必定是我们成为人类的基础。相比于发现和破解让我们成为我们自己的神秘遗传变化，真地没有更加令人关注的科学问题。”
由Haussler、荷兰阿姆斯特丹大学资深作者Frank Jacobs以及加州大学圣克鲁兹分校资深作者Sofie Salama领导的一个研究小组当意识到他们能够在人细胞中检测到NOTCH2NL但不能在猕猴细胞中检测到它时，就在干细胞衍生的模型中比较了在人类和猕猴大脑发育过程中表达的基因。通过研究NOTCH2NL，他们也没有在猩猩身上观察到它，并且在与我们的亲缘关系最为接近的大猩猩和黑猩猩身上发现了截短的没有活性的NOTCH2NL版本。
重建NOTCH2NL基因的进化历史揭示出一个被称作基因转换的过程可能负责修复NOTCH2NL的非功能性版本，NOTCH2NL最初是作为一个重要的神经发育基因（即NOTCH2）的部分重复而出现的。这种修复仅在人类中发生---他们估计它发生在3～4百万年前，大约相同时间的化石记录提示着人类大脑开始扩大。在它被修复之后，但在我们跟我们与尼安德特人的共同祖先在进化上分开之前，NOTCH2NL又被复制了两次。
在第二篇论文中，比利时布鲁塞尔自由大学发育生物学家Pierre Vanderhaeghen领导的一个研究小组从另一个相关的方向发现了NOTCH2NL，具体而言是在寻找胎儿大脑发育期间有活性的人类特异性基因的过程中发现的。Vanderhaeghen说，“诸如我们之类的研究人员的最终目标之一就是在人类发育和进化期间发现是什么导致更大的大脑，特别是大脑皮层。考虑到相对较快的人类大脑进化，很容易推测新进化出的人类特异性基因可能有助以一种物种特异性的方式塑造我们的大脑。”
寻找参与大脑发育的人类特异性基因经证实是具有挑战性的，这是因为这些基因通常在基因组数据库中很少被注释，这就很难将它们与其他物种中存在的更常见基因区分开来。为了特异性地和高灵敏地检测人类胎儿大脑皮层中的人特异性基因，Vanderhaeghen团队开发出一种定制的RNA测序分析方法。这允许他们鉴定出在人类大脑皮层发育期间具有活性的35种人类特有的基因，包括NOTCH2NL基因。
Vanderhaeghen团队特别关注NOTCH2NL，这是因为它的祖先基因NOTCH2在控制皮层干细胞是否产生神经元或再生更多干细胞的信号转导过程发挥着重要作用。他们发现在小鼠胚胎中人工表达NOTCH2NL会增加小鼠皮层中的干细胞数量。为了更好地理解这些基因在人体中的作用，他们利用由人体多能性干细胞产生的一种皮层发育体外模型来探究NOTCH2NL功能。
在这个模型中，他们发现NOTCH2NL能够显著增加皮层干细胞的数量，这接着产生更多的神经元，这一特征有望区分人类和非人类皮层神经发生。Vanderhaeghen说，“对一个干细胞而言，你要么再生出两个干细胞，产生两个神经元，要么产生一个干细胞和一个神经元。NOTCH2NL所做的事情就是让这种命运决定稍微偏向于再生干细胞，这样它们随后就继续产生更多的神经元。这是一个很小的早期效应，但在后期产生较大的结果，这种情形经常在进化过程中发生。”
Haussler团队研究了当NOTCH2NL未表达时会发生什么：他们在人类干细胞中将它剔除，并利用它们培养出被称作类器官的皮层补片。在这些源自NOTCH2NL缺失的干细胞的类器官中，它们更快地分化，但所形成的的类器官更小。Jacobs说，“如果你缺失了NOTCH2NL，那么它会导致皮层干细胞过早地分化为神经元，但是与此同时这些非常重要的干细胞库会枯竭。”
2.Nature：突破！科学家成功解读大脑构建的分子机制
doi:10.1038/s41586-018-0139-6
日前，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，来自伦敦大学国王学院的研究人员通过研究发现了大脑构建的基本过程，这或许能帮助理解诸如自闭症和癫痫症等神经发育障碍背后的分子机制。这项研究中，研究人员回答了长期以来的一项进化上的谜题，即如何在不同物种不同尺寸的大脑中维持不同类型脑细胞之间的精细平衡？
大脑皮层是大脑中最大的区域，其主要负责机体多种高级化功能的展现，比如学习、建议和极化未来行动的能力，大脑皮层中含有两种主要的大脑细胞类型：兴奋型和抑制型神经元细胞，其能被简单地定义为“行动”和“不行动”神经元（no-go neurons）。兴奋型的神经元能够加工处理信息并提供指令告诉其它神经元该做什么，而抑制型的神经元则会限制兴奋型神经元的活性，以便这些神经元无法同时发挥作用，过多的“行动”神经元常常会导致癫痫症发生过程中神经元的过度兴奋，而过多的“不行动”神经元则会诱发大脑的认知问题。
研究人员阐明了，如何通过研究发育中小鼠的大脑组织来实现“行动”和“不行动”神经元之间的准确平衡，在所有哺乳动物中这两类细胞的比率非常相似，这项研究发现或许也适用于人类。
研究者Oscar Marín教授说道，就像自然界许多基本事物一样，我们所发现的过程也是非常重要的，这项研究填补了我们在对大脑如何构建的理解上的一个巨大空白，解释了大脑皮层中兴奋神经元和抑制神经元如何随着哺乳动物的进化一直保持不变，这一过程在促进人类大脑不断扩展方面至关重要。
通过在小鼠胚胎发育期间对其大脑细胞进行操控，研究人员发现，一旦“行动”神经元的数量被建立，“不行动”神经元的数量也会随之调整；研究者Kinga Bercsenyi指出，如果我们把大脑活动想象成为对话，那么神经元为了进行对话就需要被彼此互联，在个体出生后头两周，“不行动”神经元就能够感知其是否处于“单独”状态，如果其无法找到“行动”神经元进行彼此对话的话，这种神经元就会死亡。
研究人员发现，“行动”神经元能通过阻断PTEN蛋白的功能来拯救“不行动”神经元，免于其死亡，编码PTEN蛋白的基因一旦发生突变就会诱发自闭症，这就表明，当PTEN的功能不正常时，就不会有足够的“不行动”神经元死亡，这就会干扰细胞类型之间的平衡，从而促进某些自闭症人群大脑信息处理的问题。
3.Science：更大的人类大脑优先扩张它的思考区域，但也为此付出代价
doi:10.1126/science.aar2578
一些人的大脑大小几乎是其他人的两倍，但是这是如何发生的呢？在一项新的研究中，来自美国、英国和加拿大的研究人员整合了3000多人的大脑扫描数据，发现这些大小的差异与大脑的形状和组织方式有关。大脑越大，皮层中的思考区域增长就会占据更多的面积，这样的代价是皮层中的低级情感、感官和运动区域增长相对较慢。这反映了进化和个体发育中观察到的大脑变化模式---高级区域显示出最大的扩张。他们还发现将高扩张区域与神经元之间的更高连接和更高的能量消耗相关联在一起的证据。相关研究结果于2018年5月31日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Normative brain size variation and brain shape diversity in humans”。论文通信作者为美国家心理卫生研究所（National Institute of Mental Health, NIMH）的Armin Raznahan博士。论文第一作者为Paul Reardon和Jakob Seidlitz。
图片来自NIMH Developmental Neurogenomics Unit。
为了明确人类大脑的组织结构如何与它们的大小存在关联，这些研究人员分析了来自费城神经发育队列（Philadelphia Neurodevelopmental Cohort）、NIMH内部项目样品（NIMH Intramural Research Program sample）和人类连接组计划（Human Connectome Project）的青年人核磁共振成像大脑扫描数据。
在较大的大脑中显示出相对较多扩张的皮层区域位于皮层分层结构的顶部，并且在功能上、在微观结构上和在分子水平上专门用于整合来自较低级皮层区域的信息。Raznahan提出，由于这个主题贯穿了进化、发育和个体间的差异，它看起来是一个根深蒂固的生物学特征。
Raznahan解释道，“并非所有的皮层区域都是平等的。高扩张区域的生物成本似乎更高。这些额外组织的生长需要生物学上的‘资金投入’。这些区域似乎比较贪婪地消耗能量；它们要比低扩张区域使用相对更多的含氧血液。与能量代谢有关的基因表达在这些区域中更高。它是代价高昂的，毕竟除非投入能获得回报，不然大自然不可能进行这样的投入。”
4.Nature：是什么让人类大脑如此之大？
doi:10.1038/s41586-018-0127-x
在一项新的研究中，来自英国圣安德鲁斯大学的Mauricio González-Forero和Andy Gardner报道寻找食物和生火可能解释着为何人类有这么大的大脑。相关研究结果发表在2018年5月24日的Nature期刊上，论文标题为“Inference of ecological and social drivers of human brain-size evolution”。
人类的大脑是同样大小的哺乳动物的6倍，这一观察结果让科学家们思考是什么导致人类具有这么大的大脑。之前的研究提示着合作狩猎或分享文化知识等社会挑战促进人类大脑扩大，此外一种解释人类大脑进化的数学模型还发现环境也具有更强的影响力。
González-Forero和Gardner开发出一种计算机模型来模拟随着时间的推移，社会、环境和文化挑战对大脑尺寸的影响。González-Forero表示，“我们曾一直期待社会挑战能成为大脑尺寸的强大促进因素。令人吃惊的是，环境挑战对大脑尺寸的影响更大。我们的猿类祖先的大脑尺寸增加的大约60％是在环境中存活下来（比如发现和储存食物）的结果。这两名研究人员报道，另外的30％来自于为了生存而结伴在一起，最后的10％来自与其他人群的竞争。
González-Forero表示，如果个人能够独自地生存下去，人类的大脑会变得更大。这两名研究人员发现，将这种计算机模型中的合作挑战（cooperative challenge）增加到30％以上会降低大脑尺寸。González-Forero说：“合作会降低大脑尺寸，这是因为你能够依靠其他人的大脑，这样你就不需要形成这么大的大脑。”
美国密苏里大学哥伦比亚分校的David Geary表示，“González-Forero和Gardner的研究方向是对的”。不过他怀疑这种计算机模型是否准确地计算出在成群地生活在一起面临着多大的挑战。“他们的结论是人类大脑进化主要是受到生态压力的驱动，并且社会压力产生的影响是最小的，这是令人吃惊的。这样的结论可能下得过早了。”
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发表于 2018-6-14 09:33:32
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