人类的大脑或许是数亿年前两种古老神经系统被组合在一起后形成的混合体。研究发现人类与其他若干物种的前脑和后脑区域在胚胎中由两种截然不同的细胞类型发育而来,而非此前认为的共享同一发育起源。斯坦福大学(Stanford University)的凯尔·罗(Kyle Loh)表示,进化将既存的神经系统在空间上推拢。他与同事研究小鼠胚胎发育早期阶段,观察到脑由两类早期祖细胞发育构建。
正文

我们的大脑可能是两种古老神经系统在数亿年前组合在一起的混合体。这一结论源于发现:人类和其他几种物种的大脑前后区域在胚胎中源自两种不同的细胞类型,而非此前认为的共同发育起源。
斯坦福大学的凯尔·洛(Kyle Loh)说:“我们的研究表明,进化把两个已有的神经系统在空间上推到了一起。大脑作为一个器官可能更高效,但我们仍依赖这种原始方式,将大脑分成两块来构建。”
洛和同事研究小鼠胚胎发育早期,发现大脑由两类增殖能力有限的早期祖细胞发育而来。一类表达 OTX2 基因,变成前脑和中脑的神经元;另一类表达 GBX2 基因,变成后脑的神经元。
研究人员用培养皿中的人类细胞实验,发现后脑神经元与前脑、中脑神经元也来自不同祖细胞。洛说:“我们首次证明,大脑前部源自完全不同的祖细胞,而非后部。”
这解释了为何在实验室培养人类后脑组织如此困难。洛说:“其实是一个暑期学生的失败实验让我们踏入这个领域。”研究者通常试图用注定变成前脑和中脑神经元的祖细胞来制造后脑神经元,这行不通。
掌握这一知识后,团队首次用正确类型的祖细胞,在培养皿中培养出有功能的人类后脑运动神经元。
后脑协调呼吸、睡眠、进食和心跳等基本维生过程,前脑则是高级思维中枢。肌萎缩侧索硬化(ALS,最常见的运动神经元病)和脊髓性肌萎缩症会影响后脑,导致说话和吞咽困难。最近,科学家还发现,Ozempic 和 Wegovy 等 GLP-1 药物通过作用于后脑来抑制小鼠食欲。
洛说,如今在培养皿中培养人类后脑神经元更容易了,这有助于 ALS 和脊髓性肌萎缩研究,也能让我们探究 GLP-1 药物在人体中的作用机制。
研究者还研究了鸡、斑马鱼和橡树虫的早期胚胎,发现它们的神经系统同样源自两类不同祖细胞。这表明我们共有的双起源脑系统至少出现于 5.5 亿年前。
但我们与水母在约 6 亿至 7 亿年前分化,它们有两条独立的神经系统。洛说,在我们的远祖中,这两者可能联合起来,因为这提升了整体处理能力。“事物靠得越近,通信越高效。”
洛说,大脑沿两条独立路径发育,可能也促进了复杂思维的进化。当后脑负责维持生存的基本功能时,“进化可以摆弄前脑,犯错误,从而产生记忆和创造力等奇妙事物”。
评论
这场讨论的普遍情绪是:媒体说的"我们的大脑由两个原始神经系统融合而来"标题党味太重,多数人追问论文究竟证明了什么,认为真正的发现只是前脑与后脑源自不同的祖细胞群体,而少数人顺着话题延伸到左右脑分工、二分心智与三层脑模型。
认为这只是把长期共识包装成了新闻
- 前脑与后脑在解剖和行为层面的差异早已是上百年来的默认假设,后脑受损与"较新"脑区受损的表现截然不同,小脑甚至连颜色都不一样,谈不上新揭示(较多人) > 小脑连颜色都不同,这根本不是什么新发现。(@reliablereason)
认为报道曲解了论文真正想说的
- 研究者自己的表述是"首次证明前脑与后脑来自完全不同的祖细胞",翻译过来即两个区域发育自祖细胞群体的不同表达状态;此前正是因为没意识到这种差异,小脑神经元一直极难体外培养(较多人) > 我们第一次证明前脑和后脑来自完全不同的祖细胞,这意味着我们可以在培养皿里培养后脑神经元并研究其功能。(@rolph)
- 作者把结论严格限定在发育生物学范围内,想从中看到"蜥蜴脑"的人还得继续找(较多人)
- 说"我们的大脑"有误导之嫌,因为论文同时指出连橡虫这类生物也有相同结构(少数人)
认为这可能给"三位一体脑"模型增加可信度
- 该发现若成立,会给通常被判为过时、甚至被嘲笑的"三位一体脑"模型提供一些支持,但作者并未把话说那么满(少数人)
- 更值得追问的是这对头足类脑发育意味着什么:如果章鱼的神经结构更接近前脑/中脑谱系,那么后部神经外胚层在演化上是否出现得更晚(少数人)
联想到裂脑与二分心智
- Julian Jaynes 的二分心智假说:古代文明缺乏现代意义上的自我意识,人们把驱动自己的内在声音当成外来的神谕,而这种从"外部声音"到"内在声音"的转变被认为源于大脑的生物学变化(较多人)
- 推荐"The You Are Two"视频,展示胼胝体切断后两个半球各自为政的诡异表现;其后可搭配 Peter Watts 关于蜂巢心智的演讲(较多人)
- 但有评论指出,这些讨论谈的是大脑侧化,与本研究并不直接相关,属于话题漂移(少数人)
后脑是内核、前脑是应用服务器
- 这个类比刚抛出来,就被一位神经外科医生用一个"No"当场否决,成了全场唯一的纯玩笑(少数人)
有价值的补充
- 想入门脑演化与行为神经科学,可以先读 Carl Sagan 七十至八十年代的《Broca's Brain》和《The Dragons of Eden》,Sapolsky 的讲座和书同样值得看
- 这项工作的实际价值在于:后脑神经元之所以难养,是因为没人意识到它和前脑跑的不是同一套基因表达程序,一直被当成同一种细胞处理
- 原始论文发表在 Nature Neuroscience,另有斯坦福医学院的官方新闻稿,两家信源的说法都比媒体标题克制得多
- 关于"一颅两脑"的经典科普材料,还包括裂脑研究,以及 Jaynes 二分心智假说提出三十年后的批判性回顾