人类大脑或是两个独立器官？斯坦福医学研究揭示新发现
几个世纪以来，科学界一直将大脑视为一个单一、统一的整体。然而，由斯坦福医学院主导的一项新研究对此提出了挑战：我们通常所说的"大脑"，实际上可能由两个起源截然不同的器官组合而成。
这一发现颠覆了沿用数十年的大脑发育模型。过去，主流理论认为整个大脑由早期发育中的一个共同原始细胞群体产生，各部分由此拥有同一发育起源。
研究发现，人类大脑由两个古老的神经系统拼接而成，其中更原始的部分负责调节心跳、呼吸等基本生命功能。
这一结论不仅解释了科学家数十年来为何始终无法在实验室中培养某些类型的脑细胞，也为研究脊髓性肌萎缩症（SMA）和肌萎缩侧索硬化（ALS，又称 Lou Gehrig 病）等破坏脑干的疾病开辟了新路径。
Kyle Loh
"我们首次证明，大脑前部来自与大脑后部完全不同的原始细胞，"发育生物学副教授 Kyle Loh 博士表示，"这意味着我们现在可以在培养皿中从后脑培养出神经元，并研究它们的功能。"
该研究发表于《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）杂志，Loh 为资深作者，研究生 Carolyn Dundes 与 Rayyan Jokhai 为共同第一作者。
两个大脑
成年人脑分为前脑、中脑和后脑三大区域。前脑负责语言、意识和抽象推理等高阶思维；位于颅底的后脑通常被称为脑干，掌控呼吸、睡眠、心跳调节和饥饿感等维持生命的基本自动功能，其后脑神经元还支配面部、舌头和喉部的肌肉。
尽管后脑至关重要，科学家几十年来却一直无法在实验室中生成人类后脑神经元，这一空白长期制约了对脑干相关疾病的研究。SMA 是 1 岁以下儿童的主要遗传致死原因；ALS 则多在 40 至 70 岁之间确诊，同时影响前脑与后脑。两类疾病中，部分后脑神经元会逐渐失效，患者丧失吞咽能力，食物或液体误入肺部可引发肺炎，最终失去自主呼吸的能力。
突破源于对胚胎发育最初阶段的研究。在被称为"原肠形成"（gastrulation）的发育阶段，Jokhai 与 Dundes 发现后脑走的是一条独立发育路径——它与形成前脑、中脑的路径平行展开，而非从其分支而来。
研究团队通过观察发育中的小鼠胚胎发现了两类不同的大脑原始细胞：一类表达 Otx2 基因，注定发育为前脑和中脑；另一类表达 Gbx2 基因，专职形成后脑。两类细胞群从不重叠，从发育最初阶段起就相互排斥。
进一步检查这些细胞的 DNA 包装（即染色质结构）后，结果更令人意外：前部神经外胚层（未来的前脑和中脑）与后部神经外胚层（未来的后脑）具有根本不同的染色质构象。这些差异实质上锁定了各自原始细胞的命运，如同行驶在平行轨道上的列车，永远不会交汇。
"以往制造后脑神经元的尝试，可能一直在试图把前脑和中脑的原始细胞引向后脑方向，而我们的研究表明这条路根本走不通，"Loh 指出，"科学家们一直在尝试把一种原始细胞转化为它永远无法变成的另一种细胞。"
Rayyan Jokhai
团队还首次在实验室中成功诱导人类多能干细胞——这种细胞具备分化成人体任意细胞的潜能——形成功能性的后脑运动神经元。培养出的神经元展现出真实后脑细胞的全部特征：它们出现称为动作电位的电活动，并制造出标记面部与吞咽肌等后脑支配肌肉的蛋白质。
最后，研究人员将视野回溯至 5.5 亿年的进化长河。他们在斑马鱼身上发现了相同的"双源大脑"模式，还在一种与人类有着遥远共同祖先、栖息于海底的微小生物中观察到两套神经系统——分别位于身体两端。
"我们的研究表明，进化将两个早已存在的神经系统在空间上推到了一起，"Loh 说，"把所有结构整合为一个器官或许更高效，但大脑至今沿用着这种原始的'双器官'模式。"
"这一发现令我震惊，因为'大脑'一词暗示它是一个连续的整体。但早在 5.5 亿年前，这些独立的神经系统就已存在，如今它们几乎作为一个神经系统在运作。"
该研究对治疗 SMA、ALS 及其他脑干疾病的研究具有直接意义。此前，科学家几乎无法研究这类疾病，因为无法从在世患者身上获取脑干组织；如今，在培养皿中培养后脑神经元的能力，为了解病变机制打开了新窗口。研究还与肥胖症治疗产生了意外关联——后脑中包含调节饥饿感的神经回路。
研究团队计划进一步拓展工作，确定脊髓发育的起源，并厘清 SMA 和 ALS 究竟如何影响后脑神经元功能。
"现在我们有了更好的模型去理解这些破坏性疾病，并为其寻找再生疗法，"Jokhai 表示，"这是大脑研究中一个令人兴奋的新方向。"
加州理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员参与了此项研究。
该工作得到了美国国立卫生研究院（资助号 DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790 和 F31DE031154）、美国国家科学基金会、加利福尼亚再生医学研究院（California Institute for Regenerative Medicine）、脊髓性肌萎缩症基金会、斯坦福母婴健康研究院、斯坦福 Beckman 与 Ludwig 中心、Sibel 干细胞研究所、Steinhardt-Reed 基金会、盖茨比慈善基金会、霍华德·休斯医学研究所、Packard 基金会、皮尤慈善信托基金、Baxter 基金会、人类前沿科学计划以及匿名的 Fixel、Gilbert 和 Steinhardt-Reed 家族的资助。
