這種化合物幫助我們成為最聰明的動物

業界 | 2021-10-27 09:17:04
時間:2021-10-27 09:17:04   /   來源: 科技日報      /   點擊數:()

人類擁有遠超其它動物的智力和創造力,這背后的原因,是人類擁有極其強健的大腦。如果我們更細致地深入到人的各個腦區,會發現人類智力和創造力的一個重要來源是前額皮質以及其與其他腦區之間的聯系與合作。

決定你為何是“你”的腦區

前額皮質位于整個大腦額葉的前端。它能按照人內在的意愿,調控人的思想和行為??茖W家認為這個腦區與每個人的生存意愿、個性表達密切相關。

一個較為經典的案例,或許能讓我們一窺前額皮質對人類的影響。在一次工程事故中,一根粗鐵棍破壞了一位鐵路建筑工頭大部分的前額皮質。事故之后,原本受人尊敬、與人為善的他突然變得易怒、沖動,無法再與人交流。事實上,這種案例并不罕見,科學家還發現自閉癥和精神分裂癥等疾病,也和前額皮質異常密切相關。

人類之外,獼猴、小鼠等多種動物都擁有這個腦區。但相比之下,人的前額皮質更大,神經元更多,且其中存在其它動物并不具有的功能區域。這些特征能反映出人腦的優越性,但從演化的角度來講,人類和其它動物曾站在相同的起點,造成這些現象的更底層改變究竟是什么?

為了揭開其中的秘密,尋找治療精神性疾病的方法,耶魯大學的科學家在2篇發表于《自然》的論文中,嘗試將人腦發育的時間撥回前額皮質即將出現的那一刻——妊娠中期,揭示了這個讓人類智力走上動物界頂端,又讓人類迷失的腦區發育的秘密。

維甲酸的關鍵作用

在人類胚胎發育4—5個月后,大腦前額皮質中的第一個神經束開始出現,隨后神經元開始迅速大量形成,構成完整的前額皮質。研究人員基于已有的腦細胞圖譜數據,發現無論是在人、獼猴還是小鼠胚胎中,化合物維甲酸在神經元的形成中具有關鍵的調控作用。維甲酸是維生素A在人體內的一種代謝產物。此前的研究證實,這種化合物在細胞的增殖、分化和器官形成中具有關鍵作用。

他們發現在這一時期的人腦中,至少有5個基因會受到維甲酸的調控,其中一種是促進神經突觸形成和功能實現的基因CBLN2。他們通過對人和獼猴的新皮質(包含前額皮質)進行RNA測序,發現在人和獼猴的前額皮質中,CBLN2的表達水平分別是其他腦區的1.9倍和2倍。此外,一些和CBLN2類似的、同樣促進神經元發育的基因,在前額皮質中也具有更高的表達水平。

但奇怪的是,從人腦前額皮質的表層到更深區域,維甲酸的濃度會呈現一種逐步、較平緩的下降模式,即CBLN2基因的表達水平從外向里逐漸降低,但在前額皮質最深層的區域,仍具有較高的表達水平。獼猴前額皮質表層的維甲酸濃度明顯低于人類,而在小鼠中,CBLN2基因幾乎只會在前額皮質表層表達。研究人員意識到,這似乎正是人腦的智力區別于其它動物的關鍵。

這個現象出現的一個主要原因是各種動物采用了不同的基因調控方式。在生物體內,細胞都會通過一定的機制來精確控制基因的表達。這樣細胞才能既保證實現功能,又最大限度地節省資源和能量。

在另一篇發表于《自然》的研究中,他們發現人和其它動物在表達CBLN2基因時,存在一個細微但影響巨大的差異。例如,在小鼠中,CBLN2基因的表達會受到一些稱作增強子的DNA序列調控,這些增強子能分別與一些蛋白質或分子結合。當增強子單獨結合維甲酸時,就能增強基因表達,但同時結合SOX5蛋白和維甲酸時,基因的表達就會被抑制。而在人體內,增強子中結合SOX5蛋白的序列直接丟失了,只能與維甲酸結合,這也意味著在人的前額皮質中CBLN2基因表達要么不表達,要么表達水平很高。

在人類和智力水平較高的黑猩猩體內,CBLN2的表達沒有被SOX5抑制,而大猩猩和獼猴中該基因的表達卻被適當抑制了。在小鼠體內,它們擁有更多SOX5的結合位點,基因的表達會被強烈抑制。這個微小的改變帶來了關鍵的影響,直接導致了人的前額皮質在發育過程中,神經元上形成了更多的樹突棘。這使得在胚胎發育后期和成年時期,前額皮質中具有更多的突觸結構,神經元的聯系更密切。

他們還發現如果將人類版本的CBLN2等基因序列,導入小鼠的神經元中,這些小鼠的神經元確實會比正常小鼠形成更多的樹突棘,且前額皮質中的深層腦區的發育以及其他腦區的連接,顯示出與人和其它靈長類腦發育過程相似的特征。

第一塊多米諾骨牌

在胚胎成為一個特定的人的起點——胚胎發育中期,化合物維甲酸推倒了前額皮質發育的第一塊多米諾骨牌。接著,CBLN2基因開始大量表達,神經元上形成很多的樹突棘。樹突棘又促使了連接不同神經元的神經突觸的形成,形成了若干能參與記憶、與其他腦區建立連接的神經環路。當前額皮質發育完全時,維甲酸也就被相關的酶降解了。

雖然還無法確認是否還有基因影響了這個腦區的發育,但可以肯定的是維甲酸在前額皮質的發育過程中極其關鍵。不過,這項研究也留下了一些疑問:在什么時期,靈長動物的大腦發生了這樣的改變?而這個改變又是怎么機緣巧合地,作為一個有益突變保留了下來?

我們或許可以猜測,最早擁有這個基因突變的“它”是一個原始種群里最有目標、最聰明的一個,但由于這樣的大腦更加耗能,它時常會比種群中的其它動物更容易感到饑餓。但最終它的基因流傳了下來,且意外地賦予了它每個后代獨特的特征。(據《環球科學》)  

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