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Nature:发现一种新类型的中间神经元仅存在于灵长类动物大脑中

发布时间:2020-10-10 10:40:09
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精神分裂症和自闭症等神经精神疾病是大脑化学物、环境和遗传学之间的复杂相互作用的结果,需要仔细研究才能了解它们的根源。科学家们传统上依靠从小鼠和非人灵长类动物身上提取的样本来研究这些疾病是如何产生的。但是,一个问题一直挥之不去:这些受试对象的大脑是否与人类足够相似,从而产生有用的新见解?

如今,在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所、麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员报道了雪貂、小鼠、非人灵长类动物和人类大脑中的几个关键差异,这些差异都集中在一种称为中间神经元(interneuron)的神经元上。最令人惊讶的是,他们只在灵长类动物中发现了一种新的中间神经元类型,这种类型的中间神经元位于大脑中与亨廷顿病和潜在的精神分裂症有关的纹状体中。相关研究结果于2020年9月30日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Innovations present in the primate interneuron repertoire”。


图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2781-z。

这些发现可能帮助科学家们选择最好地模拟与这些疾病有关的人类大脑特征的实验室模型,从而有助于加快对神经精神疾病的原因和治疗方法的研究。

论文通讯作者、哈佛医学院遗传学教授Steven McCarroll说,“这项研究的数据将为人类大脑疾病的研究提供信息,这是因为它帮助我们思考人类大脑的哪些特征可以在小鼠中进行研究,哪些特征需要在狨猴等更高级的有机体中进行研究,以及为什么小鼠模型往往不能反映人类相应突变的影响。”

论文共同作者、麻省理工学院麦戈文脑研究所神经科学教授Guoping Feng说,“神经元的功能障碍与包括自闭症谱系障碍和精神分裂症在内的几种脑部疾病有密切联系。这些数据进一步证实了非人灵长类动物模型在理解大脑疾病的神经生物学机制以及开发和测试治疗方法方面的独特重要性。”

深入了解中间神经元

中间神经元形成了大脑神经回路中的关键节点,并通过释放抑制其他神经元放电的神经递质GABA来帮助调节神经元活性。

论文第一作者、McCarroll实验室博士后研究员Fenna Krienen和她的同事们希望追踪中间神经元的自然历史。

Krienen说,“我们想了解组成大脑的细胞类型的进化轨迹。随后,我们去获取动物物种的样本,这些样本可以为理解人类和神经科学研究中经常代表人类的动物模型之间的进化分歧提供信息。”

这些研究人员使用的工具之一是Drop-seq,这是一种由McCarroll实验室开发的高通量单核RNA测序技术,用于确定雪貂、人类、猕猴、狨猴和小鼠大脑中超过184000个端脑中间神经元的作用和位置。利用冷冻的组织样本,他们从皮层、海马体和纹状体中分离出中间神经元的细胞核,并对这些细胞中的RNA进行了分析。

这些研究人员原本认为,由于在所有脊椎动物中都发现了中间神经元,所以这些细胞在不同物种之间相对变化不大。Krienen说,“但是,通过这些高灵敏的测量和来自不同物种的大量数据,我们了解到不同物种中中间神经元的活跃程度存在差异。”

她和她的合作者确定了他们所研究的物种之间的四个主要的中间神经元差异:这些细胞改变了它们在整个大脑区域的比例,改变了它们用来与其他神经元连接的程序,并且可以迁移到大脑的不同区域。但是最引人注目的是,他们发现,灵长类动物有一种其他物种中没有的新型中间神经元。这种中间神经元位于纹状体中。纹状体是负责认知、奖赏和协调运动的大脑结构,早在远古原始鱼类的进化树上就已经存在了。他们惊奇地发现,这种新的中间神经元类型占纹状体中所有中间神经元的三分之一。

McCarroll说,“虽然我们预计人类和灵长类动物大脑的重大创新是在大脑皮层,我们倾向于将大脑皮层与人类的智慧联系在一起,但事实上,在古老的纹状体中,Krienen发现了灵长类动物大脑中最引人注目的细胞创新。这种细胞类型以前从未被发现过,这是因为小鼠没有类似的细胞。”

论文共同作者、哈佛医学院神经生物学教授Gord Fishell说道,“是什么提供了认知能力中的‘人类优势’,这是神经生物学家努力回答的基本问题之一。这些发现解决了'我们如何打造更好的大脑'这个问题。”

更好地了解这些抑制性神经元如何在人类和实验室模型之间变化,将为科学家们提供研究各种大脑疾病的新工具。下一步,这些研究人员将在这项研究的基础上,确定每种类型的中间神经元的具体功能。

Krienen说,“在研究神经发育障碍时,你需要确信你的模型在真正复杂的社会行为上是合适的。这项研究的主要主题是灵长类动物在所有这些中间神经元创新方面总体上似乎是非常相似的。”

来源:生物谷