为啥人类与近亲物种存在差异?迷你大脑或能给出答案

摘要:

研究人员在实验室培育人类、猿类和猴子的大脑组织,从而了解人类大脑的与众不同之处,在某些方面,人类大脑是独一无二的,因为人类智力较高,是地球上唯一能够从事复杂行为、具有高等思维能力的动物,例如:制造宇宙飞船进入太空、网络社交平台上发布表情包等。


通过研究人类和近亲物种的大脑发育,能够理解导致人体细胞和组织与众不同的机制和根源,目前我们拥有先进的技术可以实现实验室培育大脑组织,这些技术包括:诱导性多能干细胞、CRISPR基因编辑技术、类器官和单细胞基因组学

然而一些问题仍然困扰着科学家,为什么人类与近亲物种存在差异?以及为什么很难获得研究这些差异的大脑组织?目前,一支科学家小组希望以一种只有人类才能做到的方式探索这一主题:借助基因排序和大脑类器官,在实验室培养皿中从干细胞中培育出微型器官。

研究报告作者之一、瑞士分子和临床眼科研究所项目负责人格雷·卡姆普说:“通过研究人类和近亲物种的大脑发育,能够理解导致人体细胞和组织与众不同的机制和根源,目前我们拥有先进的技术可以实现实验室培育大脑组织,这些技术包括:诱导性多能干细胞、CRISPR基因编辑技术、类器官和单细胞基因组学。”

干细胞是一种基础细胞,它可以转化成为更特殊类型的细胞,而诱导多能干细胞(iPSCs)是科学家们从其他细胞培育出来的干细胞。目前,马克斯·普朗克进化人类学研究所的萨宾娜·坎顿(Sabina Kanton)、迈克尔·詹姆斯·博伊尔(Michael James Boyle)和何志松(音译)带领同事进行了一项实验,他们从动物园动物和人类血液样本中提取白细胞制造出诱导多能干细胞,之后利用不同成分,诱导这些细胞进入大脑早期发育阶段,类似于发育中的胚胎阶段,直到它们开始出现特殊变化,变成三维大脑组织块。

研究人员利用4个月时间观察了人类、猕猴、黑猩猩的大脑类器官生长和细胞发育状况,他们取样分析了单个细胞中的RNA——本质上讲,RNA是细胞用于制造蛋白质的DNA部分,并观察细胞之间的差异性。

使用这些数据,他们创建了人类的特有基因“图谱”以及发育过程中改变细胞外观的遗传机制,他们还将这些大脑类器官与从死人、黑猩猩、倭黑猩猩和猕猴身体上提取的组织进行了比较,记录哪些特定变化出现在成年体和未成年体大脑,哪些特定变化仅出现在成年体大脑。

坎顿解释称,这项研究并未深入探讨基因如何影响类器官较大结构的特殊差异,然而他们观察发现人体大脑类器官在相同时间内似乎不及黑猩猩和猕猴,这可能是之前研究中显示人类大脑发育较缓慢的相关证据。这项最新研究报告发表在近期出版的《自然》杂志上。

美国加州大学旧金山分校副教授亚历克斯·波伦(Alex Pollen)未参与这项最新研究,他在接受记者采访时称,这项研究是大脑类器官研究领域的重要环节,因为它呈现了猴子、猿和人类大脑发育之间的差异。

令他感到兴奋的是,研究人员发现了不同物种之间的大脑差异,这些差异特征延伸体现在真实大脑组织,然而在这个实验模型能够真实模拟成熟大脑细胞之前,还需要进行“实际工作”。

美国约翰霍普金斯大学神经科学助理教授居尔·多伦(Gul Dolen)是另一位未参与这项研究的科学家,她警告称,大脑发育具有一定的复杂性,类器官发育过程很难记录,当人们出生后一段时间大脑才进行快速发育,此外,这项最新并非仅涉及遗传问题,还证明大脑类器官与脑细胞间连接具有重要关联性。

多伦指出,我之前曾问询过坎顿,他是否考虑过使用迷你大脑工作的事实,以及是否大脑适合进行试验,一些大脑类器官缺少真实大脑所拥有许多机制,并且具有最小的脑电活动。

涉及这项最新研究报告的工作人员希望他们能够创造一种资源渠道,便于其他研究员深入分析人类进化发育之谜,或许科学家可以用类似的方法了解其他方面的差异,例如:人类呼吸系统、消化系统。

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