【關鍵分子】人類大腦長得比猩猩大三倍的秘密

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【關鍵分子】人類大腦長得比猩猩大三倍的秘密

【關鍵分子】人類大腦長得比猩猩大三倍的秘密

與黑猩猩、大猩猩的大腦相比,人類神經元的數量多約三倍。由英國劍橋醫學研究理事會(MRC)分子生物學實驗室的新研究確定了一個關鍵的「分子開關」,它可以使猿類腦器官變得更像人類,反之亦然。

這項發表在《細胞》雜誌上的研究比較了「類腦器官」,即模擬大腦早期發育的3D組織,可從人類,大猩猩和黑猩猩幹細胞中生長出來。與實際的大腦一樣,人腦的類器官也遠比其他猿類的類器官大。

負責這項研究的蘭卡斯特博士說:「這提供了關於人類大腦獨特發育的一些初步見解,有助解釋我們是如何與近親和其他猿類區分開來。我們之間最顯著的差異就是人類難以置信的強大腦袋。」

在大腦發育的早期階段,稱為「神經祖細胞」的干細胞會產生神經元。這些祖細胞最初是圓柱形的,使它們易於分裂成具有同形狀的相同子細胞。在此階段,神經祖細胞的繁殖次數越多,以後出現的神經元便越多。隨著細胞的成熟和增殖的減慢,它們會伸長成一個像拉伸冰淇淋蛋筒的形狀。

此前,已有對小鼠的研究表明,它們的神經祖細胞會在數小時內減慢增殖速度,並成熟為圓錐形。而類腦器官使研究人員發現大猩猩和黑猩猩的祖細胞轉變需要很長時間,大約需要五天。

而人類祖細胞在此過渡過程甚至更長——大約需要七天的時間。人類祖細胞保持圓柱狀的形狀比其他猿類更長,並且在此期間它們分裂的頻率更高,從而產生更多的細胞。

從神經祖細胞到神經元的過渡速度的差異意味著人類細胞有更多時間繁殖。這可能是造成人類大腦中神經元數量比大猩猩或黑猩猩多大約三倍的主要原因。

蘭卡斯特博士說:「我們發現早期大腦中細胞形狀的延遲變化足以改變發育過程,這有助於確定神經元的數量。值得注意的是,相對簡單的細胞形狀進化變化可能會對大腦進化產生重大影響。我覺得我們真的已經學到了一些基礎知識,以回答我由有記憶以來就感興趣的問題:是什麼造就了人類。」

為了揭示驅動這些差異的遺傳機制,研究人員比較了人猿類器官與其他類人猿中的基因表達(即打開和關閉了哪些基因)。

他們發現了「ZEB2」基因的差異,該基因在大猩猩腦類器官中的開啟時間比人類器官早。為了測試該基因在大猩猩祖細胞中的作用,研究人員嘗試延遲了ZEB2的作用,減慢了祖細胞的成熟,使大猩猩腦類器官的發育與人類更相似——過程變慢、體積變大。

相反,在人類祖細胞中更早打開ZEB2基因促進了人類類器官的過早轉化,使它們的發育更像猿類器官。

研究人員指出,類器官是一個模型,並且像所有模型一樣,不能完全複製真實的大腦,尤其是成熟的大腦功能。但是對於有關我們進化的基本問題,這些大腦組織提供了前所未有的視角來觀察大腦發育的關鍵階段。

Source : Cell

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