人類大腦真的僅能開發(fā)10%嗎？

電影「超體」中，女主Lucy誤打誤撞開發(fā)了100%的大腦潛能。

伴隨著身體的飛快進化，她掌握了越來越多的超能力：瞬間掌握外語，利用腦電波隔空移物，任意改變物體形態(tài)...

若想讓大腦神經(jīng)元能夠不斷開發(fā)的一種可能便是我們的大腦細胞擁有再生能力。

目前，全球唯一能再生大腦的生物便是——又呆又萌的「神獸」蠑螈。

可是，人類能否實現(xiàn)大腦再生呢？

近日，華大生命科學研究院帶領(lǐng)的團隊完成了首個蠑螈腦再生時空圖譜，揭示了腦損傷如何自我愈合。

這是全球首個腦再生時空圖譜，研究成果已于9月2日登上Science封面。

首個腦再生時空圖譜

提到再生能力，蜥蜴再生尾巴已不足為奇。

此外，蝙蝠翅膀、斑馬魚心臟、鯊魚牙齒、海星四肢...都能夠再生。

唯獨生物「大腦」再生的能力讓科學家著迷。

這篇Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration便向我們介紹了蠑螈腦再生時空圖譜。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9444

而要研究大腦再生，就一定要找一種合適的模型來進行研究。

最后，研究團隊選擇的就是全球唯一能再生大腦的生物——墨西哥鈍口螈。

它是蠑螈的一種，也被稱作「六角恐龍」，除了能夠再生四肢、尾巴、眼睛、皮膚以及肝臟等器官之外，大腦也可以再生。

蠑螈端腦的發(fā)育與再生

這不正好能被科學家們拿來作為重要的模式生物來研究再生的相關(guān)難題嘛。

這里就不得不提到本次研究的關(guān)鍵技術(shù)——時空組學技術(shù)（Stereo-seq）了。

有了這項技術(shù)，科學家就可以在蠑螈腦發(fā)育的6個重要時期，拍攝能夠看清細胞分子變化狀態(tài)的照片，構(gòu)成了蠑螈的腦發(fā)育時空圖譜。

腦再生需要以時間和區(qū)域特定的方式協(xié)調(diào)復(fù)雜的反應(yīng)。確定參與這一過程的細胞類型和分子將促進科學家對大腦再生的理解。

然而，由于哺乳動物大腦的再生能力有限，以及在細胞和分子水平上對再生過程的機制了解不全面，這一領(lǐng)域的進展受到阻礙。而上面提到的墨西哥鈍口螈可以再生受損的附屬器官和多個內(nèi)部器官，包括大腦。

因此，這種螈就成為了科學家研究大腦再生的理想模型。而想要了解大腦再生的機制，科學家還需要能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和分析的研究工具，以同時解碼復(fù)雜的細胞和分子反應(yīng)。

首先，科學家認為，如果在研究中對大腦再生和發(fā)育過程進行比較，會有助于對大腦再生的性質(zhì)提供全新的理解。

因此，研究團隊切除了軸突動物左端腦側(cè)腭區(qū)的一小部分，并收集了再生過程中多個階段的組織樣本。然后收集了軸突動物端腦在多個發(fā)育階段的組織樣本。

接著，研究人員使用高清晰度和大視野的Stereo-seq技術(shù)，從覆蓋軸尾蜥端腦兩個半球的切片中產(chǎn)生單細胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)。對細胞類型注釋、細胞空間組織、基因活動動態(tài)和細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行了分析，并與發(fā)育過程中的這些細胞屬性相比，對損傷誘導(dǎo)再生進行了機理研究。通過使用Stereo-seq，科學家生成了一組端腦切片的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，涵蓋了蠑螈的六個發(fā)育階段和七個損傷誘導(dǎo)再生階段。

單細胞分辨率的數(shù)據(jù)使研究人員能夠確定發(fā)育過程中存在的33種細胞類型和參與再生的28種細胞類型，包括不同類型的興奮性和抑制性神經(jīng)元，以及幾種外胚層細胞亞型。

在發(fā)育方面，數(shù)據(jù)揭示了一種原始類型的上皮細胞，可能會產(chǎn)生三個亞群的成年上皮細胞，它們分布在腦室區(qū)的不同區(qū)域，具有不同的分子特征和潛在的功能。

在再生方面，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個上皮細胞亞群，可能起源于被損傷激活的本地常駐上皮細胞。然后，這部分細胞可能會增殖以覆蓋傷口區(qū)域，隨后通過向中間祖細胞、不成熟的神經(jīng)元和最終成熟的神經(jīng)元的狀態(tài)轉(zhuǎn)變來補充失去的神經(jīng)元。

當比較軸突動物端腦在發(fā)育和再生之間的細胞和分子動態(tài)時，科學家發(fā)現(xiàn)損傷誘導(dǎo)的上皮細胞在其轉(zhuǎn)錄組狀態(tài)方面與發(fā)育期特異性上皮細胞相似。

同時，研究團隊還觀察到，軸突動物端腦的再生在分子級聯(lián)和潛在的細胞系轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出與發(fā)育中類似的神經(jīng)發(fā)生模式，這表明大腦再生部分地再現(xiàn)了發(fā)育過程。空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)突出了軸突動物端腦在發(fā)育和損傷引起的再生過程中的細胞和分子特征。對上皮細胞的激活和功能調(diào)控的進一步表征可能產(chǎn)生對改善哺乳動物大腦再生能力的見解。

研究團隊對四足動物端腦的單細胞空間轉(zhuǎn)錄組的研究，為發(fā)育、再生和進化腦生物學的進一步研究提供了有用的數(shù)據(jù)。

腦再生成為現(xiàn)實？

要知道，人類大腦有860億個神經(jīng)元，它們之間相互連接。

論文聯(lián)合通訊作者、BGI-Research副主任Yin Gu博士表示，

利用蠑螈作為模型生物，我們已經(jīng)確定了大腦再生過程中的關(guān)鍵細胞類型。這一發(fā)現(xiàn)將為哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)的再生醫(yī)學提供新的思路和指導(dǎo)。

因此，中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生醫(yī)學的一個主要目標不僅是重建神經(jīng)元的空間結(jié)構(gòu)，而且重建其組織內(nèi)連接的特定模式。

在未來的研究中，重建大腦的3D結(jié)構(gòu)，了解大腦各區(qū)域在再生過程中的系統(tǒng)性反應(yīng)是很重要的。

長久以來，科學家們一直夢想通過繪制完整的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以了解神經(jīng)系統(tǒng)是如何工作的。

就比如谷歌在2019年便首次重建了果蠅大腦神經(jīng)元的3D模型，緊接著第二年公布了果蠅「半腦」連接組。

如今，他們已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于人腦成像數(shù)據(jù)集。

通過這個數(shù)據(jù)集，人們便可以看到1.3億個突觸，數(shù)萬個神經(jīng)元的樣本，能夠幫助人們理解大腦的3D結(jié)構(gòu)。

除了蠑螈，科學家們利用時空組學技術(shù)已經(jīng)首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥4種模式生物胚胎發(fā)育或器官的時空圖譜。

目前，研究成果已在Cell及其子刊Developmental Cell發(fā)表。

對于腦再生這項研究，網(wǎng)友們對此未來的發(fā)展持有樂觀的態(tài)度。