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这种化合物帮助我们成为最聪明的动物

来源:科技日报2021-10-27 10:04

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  人类拥有远超其它动物的智力和创造力,这背后的原因,是人类拥有极其强健的大脑。如果我们更细致地深入到人的各个脑区,会发现人类智力和创造力的一个重要来源是前额皮质以及其与其他脑区之间的联系与合作。

  决定你为何是“你”的脑区

  前额皮质位于整个大脑额叶的前端。它能按照人内在的意愿,调控人的思想和行为。科学家认为这个脑区与每个人的生存意愿、个性表达密切相关。

  一个较为经典的案例,或许能让我们一窥前额皮质对人类的影响。在一次工程事故中,一根粗铁棍破坏了一位铁路建筑工头大部分的前额皮质。事故之后,原本受人尊敬、与人为善的他突然变得易怒、冲动,无法再与人交流。事实上,这种案例并不罕见,科学家还发现自闭症和精神分裂症等疾病,也和前额皮质异常密切相关。

  人类之外,猕猴、小鼠等多种动物都拥有这个脑区。但相比之下,人的前额皮质更大,神经元更多,且其中存在其它动物并不具有的功能区域。这些特征能反映出人脑的优越性,但从演化的角度来讲,人类和其它动物曾站在相同的起点,造成这些现象的更底层改变究竟是什么?

  为了揭开其中的秘密,寻找治疗精神性疾病的方法,耶鲁大学的科学家在2篇发表于《自然》的论文中,尝试将人脑发育的时间拨回前额皮质即将出现的那一刻——妊娠中期,揭示了这个让人类智力走上动物界顶端,又让人类迷失的脑区发育的秘密。

  维甲酸的关键作用

  在人类胚胎发育4—5个月后,大脑前额皮质中的第一个神经束开始出现,随后神经元开始迅速大量形成,构成完整的前额皮质。研究人员基于已有的脑细胞图谱数据,发现无论是在人、猕猴还是小鼠胚胎中,化合物维甲酸在神经元的形成中具有关键的调控作用。维甲酸是维生素A在人体内的一种代谢产物。此前的研究证实,这种化合物在细胞的增殖、分化和器官形成中具有关键作用。

  他们发现在这一时期的人脑中,至少有5个基因会受到维甲酸的调控,其中一种是促进神经突触形成和功能实现的基因CBLN2。他们通过对人和猕猴的新皮质(包含前额皮质)进行RNA测序,发现在人和猕猴的前额皮质中,CBLN2的表达水平分别是其他脑区的1.9倍和2倍。此外,一些和CBLN2类似的、同样促进神经元发育的基因,在前额皮质中也具有更高的表达水平。

  但奇怪的是,从人脑前额皮质的表层到更深区域,维甲酸的浓度会呈现一种逐步、较平缓的下降模式,即CBLN2基因的表达水平从外向里逐渐降低,但在前额皮质最深层的区域,仍具有较高的表达水平。猕猴前额皮质表层的维甲酸浓度明显低于人类,而在小鼠中,CBLN2基因几乎只会在前额皮质表层表达。研究人员意识到,这似乎正是人脑的智力区别于其它动物的关键。

  这个现象出现的一个主要原因是各种动物采用了不同的基因调控方式。在生物体内,细胞都会通过一定的机制来精确控制基因的表达。这样细胞才能既保证实现功能,又最大限度地节省资源和能量。

  在另一篇发表于《自然》的研究中,他们发现人和其它动物在表达CBLN2基因时,存在一个细微但影响巨大的差异。例如,在小鼠中,CBLN2基因的表达会受到一些称作增强子的DNA序列调控,这些增强子能分别与一些蛋白质或分子结合。当增强子单独结合维甲酸时,就能增强基因表达,但同时结合SOX5蛋白和维甲酸时,基因的表达就会被抑制。而在人体内,增强子中结合SOX5蛋白的序列直接丢失了,只能与维甲酸结合,这也意味着在人的前额皮质中CBLN2基因表达要么不表达,要么表达水平很高。

  在人类和智力水平较高的黑猩猩体内,CBLN2的表达没有被SOX5抑制,而大猩猩和猕猴中该基因的表达却被适当抑制了。在小鼠体内,它们拥有更多SOX5的结合位点,基因的表达会被强烈抑制。这个微小的改变带来了关键的影响,直接导致了人的前额皮质在发育过程中,神经元上形成了更多的树突棘。这使得在胚胎发育后期和成年时期,前额皮质中具有更多的突触结构,神经元的联系更密切。

  他们还发现如果将人类版本的CBLN2等基因序列,导入小鼠的神经元中,这些小鼠的神经元确实会比正常小鼠形成更多的树突棘,且前额皮质中的深层脑区的发育以及其他脑区的连接,显示出与人和其它灵长类脑发育过程相似的特征。

  第一块多米诺骨牌

  在胚胎成为一个特定的人的起点——胚胎发育中期,化合物维甲酸推倒了前额皮质发育的第一块多米诺骨牌。接着,CBLN2基因开始大量表达,神经元上形成很多的树突棘。树突棘又促使了连接不同神经元的神经突触的形成,形成了若干能参与记忆、与其他脑区建立连接的神经环路。当前额皮质发育完全时,维甲酸也就被相关的酶降解了。

  虽然还无法确认是否还有基因影响了这个脑区的发育,但可以肯定的是维甲酸在前额皮质的发育过程中极其关键。不过,这项研究也留下了一些疑问:在什么时期,灵长动物的大脑发生了这样的改变?而这个改变又是怎么机缘巧合地,作为一个有益突变保留了下来?

  我们或许可以猜测,最早拥有这个基因突变的“它”是一个原始种群里最有目标、最聪明的一个,但由于这样的大脑更加耗能,它时常会比种群中的其它动物更容易感到饥饿。但最终它的基因流传了下来,且意外地赋予了它每个后代独特的特征。(Clefable 据《环球科学》)

[ 责编:赵宇豪 ]
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