Cell：人类如何比其他猿类发育出更大的大脑

一项新的研究首次发现了人类大脑是如何变大的，神经元是黑猩猩和大猩猩大脑的三倍。这项由英国剑桥大学医学研究委员会（MRC）分子生物学实验室的研究人员领导的研究发现了一个关键的分子开关，它可以使类人猿大脑中的类器官生长得更像人类的类器官，反之亦然。

这项研究发表在《细胞》杂志上，比较从人类、大猩猩和黑猩猩的干细胞中培养出来的“大脑类器官”——模拟早期大脑发育的干细胞的三维组织。

与实际大脑相似，人类大脑类器官的生长比其他类人猿的类器官大得多。

马德琳·兰卡斯特博士，领导这项研究的MRC分子生物学实验室的科学家说：“这提供了一些关于人类大脑发育的不同之处的初步见解，这些不同之处使我们与我们的近亲，其他类人猿区别开来。我们和其他类人猿最显著的区别就是我们的大脑有多大。”

在大脑发育的早期阶段，神经元是由被称为神经祖细胞的干细胞产生的。这些祖细胞最初有一个圆柱形，这使得它们很容易分裂成形状相同的子细胞。

在这个阶段，神经祖细胞繁殖的次数越多，以后会有更多的神经元。

随着细胞成熟和繁殖变慢，它们会拉长，形成一个类似的形状一个拉长的冰激凌圆锥体。

以前，对老鼠的研究表明，它们的神经祖细胞成熟成圆锥形，并在数小时内减慢增殖速度。

现在，大脑类器官让研究人员能够揭示这种发育是如何在人类，大猩猩和黑猩猩身上发生的。

他们发现，大猩猩和黑猩猩的这种转变需要很长时间，大约需要5天时间。

人类祖先在这种转变中更为延迟，大约需要7天。与其他类人猿相比，人类祖细胞保持圆柱形的时间更长，在此期间，它们分裂得更频繁，产生更多的细胞。

从神经祖细胞向神经元转化速度的差异意味着人类细胞有更多的时间繁殖。与大猩猩或黑猩猩的大脑相比，人类大脑中的神经元数量大约增加了三倍，这在很大程度上是由这种现象造成的。

兰卡斯特博士说：“我们发现，早期大脑中细胞形状的延迟变化足以改变发育过程，并且有助于确定影响发育的神经元数量，这一个相对简单的细胞形态进化变化可能会对大脑进化产生重大影响。我觉得我们真的学到了一些基本的东西——什么使我们成为人类，这是我从记事起就很感兴趣的问题。”

为了揭示驱动这些差异的遗传机制，研究人员比较了人类大脑类器官和其他类人猿的基因表达（哪些基因被打开和关闭）。

他们发现了一个叫做“ZEB2”的基因的差异，这种基因在大猩猩大脑类器官中比在人类类器官中打开得更快。

为了测试这种基因在大猩猩祖细胞中的作用，他们延缓了ZEB2的作用。这减缓了祖细胞的成熟，使大猩猩大脑中的类器官发育得更像人类——更慢、更大。

相反，在人类祖细胞中更早地打开ZEB2基因，促进了人类类器官的过早转变，因此他们发育出更像类人猿的器官。

研究人员注意到，类器官是一种模型，与所有模型一样，不可能完全复制真实的大脑，特别是成熟的大脑功能。但是，对于我们进化的基本问题，盘子里的这些脑组织提供了一个前所未有的视角，可以观察到大脑发育的关键阶段，这是其他研究不可能的。

兰卡斯特博士是2013年创建第一个脑类器官的团队的一员。

这项研究由医学研究委员会资助，欧洲研究理事会和英国癌症研究所

Journal Reference:

Silvia Benito-Kwiecinski, Stefano L. Giandomenico, Magdalena Sutcliffe, Erlend S. Riis, paula Freire-pritchett, Iva Kelava, Stephanie Wunderlich, Ulrich Martin, Gregory A. Wray, Kate McDole, Madeline A. Lancaster. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050

UK Research and Innovation. "How humans develop larger brains than other apes." ScienceDaily. ScienceDaily, 24 March 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324113502.htm>.

UK Research and Innovation. (2021, March 24). How humans develop larger brains than other apes. ScienceDaily. Retrieved March 24, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324113502.htm

UK Research and Innovation. "How humans develop larger brains than other apes." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324113502.htm (accessed March 24, 2021).