“我們可以探索數(shù)光年外的宇宙，但對(duì)我們兩耳之間3磅重的大腦知之甚少?！边@一想法推動(dòng)美國(guó)前任總統(tǒng)奧巴馬啟動(dòng)了“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃”，也就是所謂的 “腦計(jì)劃”。

中國(guó)同一領(lǐng)域內(nèi)的研究也在加快步伐。北京時(shí)間3月15日凌晨，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表文章“A single-cell RNA-seq survey of the developmentallandscape of the human prefrontal cortex”。該論文通訊作者是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的王曉群教授, 北京大學(xué)的湯富酬教授、喬杰教授和安貞醫(yī)院的張軍教授。王曉群也是2014年-2018年國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“成體神經(jīng)干細(xì)胞的命運(yùn)決定機(jī)制與功能研究”首席科學(xué)家。

王曉群在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪時(shí)表示，“這項(xiàng)研究首次針對(duì)人類前額葉皮層（PFC）發(fā)育過(guò)程中前額葉形成中的細(xì)胞與分子機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，應(yīng)該說(shuō)我們的工作已經(jīng)比美國(guó)‘腦計(jì)劃中的細(xì)胞圖譜部分’快了一步?！?/p>

人腦前額葉皮層人類大腦高級(jí)功能的關(guān)鍵組成部分，堪稱人腦的“中央處理器”。從靈長(zhǎng)類祖先進(jìn)化到現(xiàn)代人類的過(guò)程中，大腦容量增加了一倍，增加部分則主要體現(xiàn)在前額葉皮層面積的增加上。人類的前額葉皮層占到了大腦皮層總面積的三分之一。

從功能上來(lái)說(shuō)，前額葉皮層負(fù)責(zé)人腦的高級(jí)智力活動(dòng)，是人類思想的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。主要參與記憶形成、短期儲(chǔ)存以及調(diào)取功能、語(yǔ)言功能、認(rèn)知能力、行為決策、情緒的調(diào)節(jié)等功能。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)擺在科學(xué)家面前的尷尬處境是，既想對(duì)大腦的奧秘一探究竟，同時(shí)卻連大腦由多少細(xì)胞構(gòu)成都不清楚。“雖然大家都說(shuō)大腦有各種各樣的功能，但大腦里面究竟有多少個(gè)細(xì)胞我們都不清楚，基本的細(xì)胞組成都不了解，所以也就很難去理解腦的高級(jí)認(rèn)知功能是怎么來(lái)的?！蓖鯐匀罕硎尽?/p>

人腦“CPU”在8-26孕周如何發(fā)育

論文中提到，盡管神經(jīng)回路是在人類胚胎發(fā)育的晚期甚至在人類出生后才形成，但各種不同功能的細(xì)胞在胚胎發(fā)育過(guò)程中就形成并遷移至相應(yīng)的區(qū)域。

為獲得系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)借助RNA測(cè)序分析了超過(guò)2300個(gè)單細(xì)胞，這些單細(xì)胞來(lái)源于8-26孕周、尚處于發(fā)育階段的人類前額皮質(zhì)。

最終，王曉群及其同事確認(rèn)了六大主要類型共計(jì)35個(gè)亞型的細(xì)胞，并追蹤這些細(xì)胞的發(fā)育軌跡。“我們發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)發(fā)育的人類胚胎前額葉皮層中，主要由神經(jīng)干細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞等六大類細(xì)胞組成，并進(jìn)一步把這六大類細(xì)胞精確地劃分為35個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞亞型?！?/p>

明確細(xì)胞構(gòu)成僅僅是獲得基石?！拔覀兝^續(xù)利用擬時(shí)間等算法重構(gòu)了這些神經(jīng)細(xì)胞類型之間的發(fā)育譜系關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在前額葉皮層中的神經(jīng)干細(xì)胞是一個(gè)具有高度復(fù)雜的異質(zhì)性的功能細(xì)胞群體，在不同的胚胎發(fā)育階段分別分化成神經(jīng)元細(xì)胞、星型膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞”。王曉群表示。

隨后，通過(guò)更深入的功能分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了與神經(jīng)干細(xì)胞對(duì)稱分裂、神經(jīng)元發(fā)生、膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生這三個(gè)重要神經(jīng)發(fā)育事件密切相關(guān)的一系列關(guān)鍵基因表達(dá)特征，并進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

此外，近年來(lái)在人類神經(jīng)干細(xì)胞的研究中，科學(xué)家將精力主要集中在放射性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。王曉群等人認(rèn)為，中間前體細(xì)胞（IPC）對(duì)于神經(jīng)發(fā)生、特別是靈長(zhǎng)類動(dòng)物的神經(jīng)發(fā)生同樣起著重要的作用。

通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和多層次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員提出，中間前體細(xì)胞的產(chǎn)生具有兩個(gè)關(guān)鍵爆發(fā)期?！耙粋€(gè)是在胚胎發(fā)育10周左右，這些中間前體細(xì)胞主要由放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（RG）大量產(chǎn)生，而另一個(gè)峰值則發(fā)生在胚胎發(fā)育16周左右，這些中間前體細(xì)胞由外放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（oRG）大量產(chǎn)生?！蓖鯐匀航忉?，“正是通過(guò)中間前體細(xì)胞的這兩個(gè)爆發(fā)期的形成，數(shù)量龐大的神經(jīng)元才能在短暫的大腦皮層發(fā)育時(shí)期內(nèi)快速生成，并形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能豐富的前額葉皮層?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)神經(jīng)元單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和深度挖掘，還首次揭示了在人類大腦前額葉皮層發(fā)育過(guò)程中興奮性神經(jīng)元生成、遷移和成熟的三個(gè)關(guān)鍵階段。

三階段

第一個(gè)階段，也就是8-12孕周，為神經(jīng)干細(xì)胞大量增殖階段。第二階段， 13-16孕周，神經(jīng)干細(xì)胞分化并大量產(chǎn)生新生神經(jīng)元同時(shí)伴隨著新生神經(jīng)元的遷移階段。第三階段，19-26周，神經(jīng)元開(kāi)始逐漸成熟，表達(dá)關(guān)鍵功能蛋白并初步形成有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的階段。

為驗(yàn)證上述初步形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否已具備功能，王曉群等人利用電生理等手段對(duì)人類圍產(chǎn)期26周的前額葉皮層進(jìn)行了深入的功能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，26孕周的前額葉皮層中很多神經(jīng)元已經(jīng)具備了正常發(fā)放鈉鉀電流的能力，在深層腦區(qū)的神經(jīng)元更是具備了發(fā)放EPSC（興奮性突觸后電流）和IPSC（抑制性突觸后電流）等功能。

“過(guò)去科學(xué)界對(duì)人腦前額葉的研究幾乎是空白的，我們通過(guò)扎實(shí)的工作把細(xì)胞類型及每種細(xì)胞發(fā)育的動(dòng)態(tài)性都基本闡述清楚了。”王曉群總結(jié)，“這為解答前額葉皮層如何參與‘思考和思想形成’這一關(guān)鍵問(wèn)題的后續(xù)研究提供了高精度的細(xì)胞圖譜，是前額葉皮層發(fā)育研究史上的重要突破和重大進(jìn)展?！?/p>

“比美國(guó)腦計(jì)劃細(xì)胞圖譜部分快了一步”

王曉群及其合作團(tuán)隊(duì)率先將人腦“CPU”的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程基本繪制出來(lái)，這項(xiàng)成果和美國(guó)“腦計(jì)劃中的細(xì)胞圖譜部分”相比水平如何？

“美國(guó)‘腦計(jì)劃細(xì)胞圖譜’目前還主要集中在嚙齒類為主， 我們則是包含了人胎腦前額葉發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程”。對(duì)人腦發(fā)育與疾病好的研究會(huì)提供最直接的參考。

王曉群認(rèn)為，隨著其研究團(tuán)隊(duì)此番成果的發(fā)表，中國(guó)在這方面的研究“應(yīng)該比美國(guó)腦計(jì)劃快了一步”。

2013年4月2日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“腦計(jì)劃”），這是繼人類基因組計(jì)劃之后又一項(xiàng)針對(duì)人類自身難題的重大研究計(jì)劃。該計(jì)劃旨在通過(guò)創(chuàng)新的神經(jīng)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)人腦的認(rèn)識(shí)，其最終目標(biāo)是希望找到攻克大腦疾病的新方法，包括阿爾茨海默氏癥、癲癇、帕金森癥等。

值得一提的是，美國(guó)為“腦計(jì)劃”投入巨資。在“腦計(jì)劃”啟動(dòng)當(dāng)年的財(cái)年預(yù)算中，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、國(guó)家衛(wèi)生研究院和國(guó)家科學(xué)基金為該計(jì)劃投入共計(jì)約1億美元的研究資金。到了2017年，財(cái)政年度預(yù)算中“腦計(jì)劃”的預(yù)算已增至4.34億美元，是2014年的4倍多，和2016財(cái)年相比增幅也達(dá)到近45%。

王曉群提到，相比于美國(guó)，中國(guó)在“腦計(jì)劃”方面的投入還不確定?！跋Ｍ麌?guó)家能大力支持，作為年輕科學(xué)家，我們肯定要全力以赴的、集中精力的加油干。”

另外，中國(guó)若想在“腦計(jì)劃細(xì)胞圖譜”等方面領(lǐng)跑，交叉學(xué)科以及相關(guān)人才的團(tuán)隊(duì)合作很重要， “就腦圖譜單細(xì)胞測(cè)序這項(xiàng)工作，它需要交叉學(xué)科的協(xié)同合作，比如細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算科學(xué)等人才一塊兒工作，集結(jié)各類人才優(yōu)勢(shì)， 呼喚不同學(xué)科的人一起協(xié)同合作。所以目前國(guó)內(nèi)從事該方向的實(shí)驗(yàn)室較少， 呼喚更多的實(shí)驗(yàn)室加入?！?/p>

論文顯示，王曉群最新的這項(xiàng)研究即和北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心任研究員湯富酬等團(tuán)隊(duì)合作完成。據(jù)王曉群介紹，“湯富酬教授早在2009年發(fā)表了單細(xì)胞測(cè)序方法，在全世界范圍內(nèi)他也是最早啟動(dòng)單細(xì)胞測(cè)序的人之一”。正基于雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)及前期積累，這項(xiàng)課題從開(kāi)始到投稿，王曉群等人僅花了一年半時(shí)間。

“還是很高效的，如果有更多支持的話，我們甚至可以做得更快更深入一些，不僅前額葉，其它腦區(qū)域也可以一一描述出來(lái)。”王曉群表示，“目前，我們只是做了基因表達(dá)圖譜，未來(lái)想繼續(xù)深入的研究腦發(fā)育的表觀調(diào)控圖譜，這樣通過(guò)基因表達(dá)譜和表觀調(diào)控圖譜等的結(jié)合，可以有助于我們將來(lái)深入了解前額葉皮層如何形成?！?/p>