本文来自微信公众号：自然系列 （ID：nature-portfolio），作者：Miryam Naddaf，翻译：施普林格·自然上海办公室，题图来自：AI生成
与我们的灵长类表亲相比，人类演化出了超大比例的大脑，但这种神经学升级也需要付出代价。研究这种“取舍”的科学家发现了独特的基因特征，显示了人类脑细胞如何应付维持这样一个“大”脑所面临的压力。这项研究或启发新的研究方向，帮助我们理解帕金森病和精神分裂症等疾病。
该研究于2024年11月15日发布在bioRxiv预印本服务器上[1]，关注能产生神经递质多巴胺的神经元——多巴胺对运动、学习和情绪处理都很关键。
通过对比来自人类、黑猩猩、猕猴、红毛猩猩的数千个实验室培养的多巴胺神经元，研究人员发现，相比其他灵长类动物，人类多巴胺神经元会更多地表达能增强抗氧化物质活性的基因——这些抗氧化物质能减少损伤。
虽然尚未经过同行评审，但研究结果增进了我们对人类大脑演化及其相应潜在负面和正面影响的理解，威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家Andre Sousa说，“努力搞清楚人类大脑的独特性，找到未来开发新疗法或预防疾病的方向，这很有意思，也很重要。”
压力给到神经元
就像直立行走带来了膝盖和背部问题，下颌结构和饮食变化带来了牙齿问题，人类大脑在演化中的快速膨胀也给脑细胞造成了挑战，研究共同作者、加州大学旧金山分校的神经科学家Alex Pollen说，“我们之前推断可能发生了相同的过程，这些多巴胺神经元或许象征着脆弱的关节。”
Pollen和他的同事利用一种成像工具发现，两个很需要多巴胺的脑区在人体内的体积比猕猴的更大——前额皮质大了18倍，纹状体大了近7倍。
然而，Pollen说，人类的多巴胺神经元数量只有他们灵长类表亲的两倍左右。因此，在更大、更复杂的人类大脑中，这些神经元的任务更加繁重——每个神经元要形成超过200万个突触。
“这些多巴胺神经元是真正的健儿，”美国耶鲁大学发育神经科学家Nenad Sestan说，“它们一直处于激活状态。”
为了理解人类多巴胺神经元如何适应和满足一个更大的大脑，Pollen和他的同事在实验室培养了这些细胞。
他们综合了来自8个人、7个黑猩猩、3个猕猴和1个红毛猩猩的干细胞（能发育成多种细胞类型），培养出了名为类器官的迷你类脑结构。30天后，这些结构开始产生多巴胺，模拟发育中的大脑。
研究团队随后对多巴胺神经元进行了基因测序，检测了哪些基因被激活以及如何受到调控。
团队在分析了人类和黑猩猩的神经元后发现，人类神经元会表达更高水平的能管理氧化应激的基因——氧化应激是由产生多巴胺的高能耗过程导致的一类细胞损伤。这些基因编码的酶能分解和中和会损伤细胞的有毒物质——活性氧（reactive oxygen species）。
为了研究人类多巴胺神经元是否演化出了独特的应激反应，作者向类器官施加了一种会导致氧化应激的杀虫剂。他们发现，从人体细胞发育而来的神经元会增加BDNF分子的产量，这类分子在帕金森病等神经退行性疾病患者体内的产量会下降。他们在黑猩猩的神经元中没有看到这种反应。
增强耐性
理解这些保护性机制或推动疗法开发，增强帕金森病风险人群的细胞防御。“有些人可能因为基因突变而缺乏其中某些保护，”Sousa说，“这会增加这些人的脆弱性。”
Pollen说：“有一些可以尝试干扰的候选靶标，可以移植到帕金森病动物模型中，看看是否能增强这些神经元的耐性。”
该研究中的类器官代表了发育中的神经元，相当于胚胎中的神经元，但无法完全呈现成人神经元的复杂性。仍需开展进一步研究探索这类保护机制在成熟和衰老神经元中的作用，Sousa说，因为影响这些细胞的退行性疾病通常都发生在晚年。
参考文献：
1. Nolbrant，S.et al.Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592(2024).
本文来自微信公众号：自然系列 （ID：nature-portfolio），作者：Miryam Naddaf，翻译：施普林格·自然上海办公室©2025 Springer Nature Limited.All Rights Reserved，原文以How human brains got so big:our cells learned to handle the stress that comes with size标题发表在2024年11月15日《自然》的新闻版块上©nature，Doi:10.1038/d41586-024-03716-4