人類成年之后，大腦的記憶中心能否持續(xù)產(chǎn)生新的神經(jīng)元細(xì)胞？這一問題關(guān)乎阿爾茲海默癥等許多神經(jīng)退行性疾病的研究與治療。在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)發(fā)展史上，該問題曾幾經(jīng)反轉(zhuǎn)，爭議不斷。

日前，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的宋洪軍教授和明國莉教授的研究團(tuán)隊(duì)共同在《自然》在線發(fā)表的研究論文。

該研究揭示了人類大腦的海馬區(qū)域終生存在未成熟的神經(jīng)元細(xì)胞，并且在成年人中仍然保持有產(chǎn)生新的神經(jīng)元的能力。與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了未成熟神經(jīng)元在人類整個(gè)生命周期和阿爾茨海默癥之中的分子圖譜，該進(jìn)展為深入研究成年人腦神經(jīng)發(fā)生及其在記憶、情緒、行為和大腦疾病中的作用鋪平了道路。

相關(guān)論文

該研究揭示了人類海馬未成熟神經(jīng)元在整個(gè)生命周期和神經(jīng)疾病中的轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分子特征，為進(jìn)一步探索其在腦部疾病中的應(yīng)用奠定了分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

“過去30年來，神經(jīng)科學(xué)最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)之一即在成年人的海馬體中不斷產(chǎn)生新的神經(jīng)元。這些新生神經(jīng)元來自成體的神經(jīng)干細(xì)胞，其中許多可能以未成熟神經(jīng)元的形式存在，這是成年大腦具有可塑性的標(biāo)志之一，并可能為再生醫(yī)學(xué)提供新的途徑?！痹撗芯康牡谝蛔髡咧芤悴┦拷榻B道，“如果這些新生的、尚未成熟的神經(jīng)元可以用來補(bǔ)充患有神經(jīng)或精神類疾病的病人大腦中所損失的細(xì)胞，就可能可以延緩阿爾茨海默病的發(fā)作，或者可以幫助人們從抑郁癥或者創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙中恢復(fù)。這些都可以加深我們對(duì)于人腦和腦部疾病的理解，甚至促生新型的治療手段。”

周毅師從宋洪軍教授和明國莉教授。他在約翰·霍普金斯大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位。2018年起從事博士后研究，應(yīng)用單細(xì)胞測(cè)序分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法來探索神經(jīng)科學(xué)與干細(xì)胞科學(xué)領(lǐng)域有意義的生物學(xué)問題。他曾獲得美國心臟醫(yī)學(xué)會(huì)、紐約州科學(xué)院、賓夕法尼亞Kaushal家族等機(jī)構(gòu)所頒發(fā)的研究基金及獎(jiǎng)項(xiàng)。

人類腦內(nèi)終生存在未成熟神經(jīng)元

由神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞（即神經(jīng)元）的過程被稱為神經(jīng)發(fā)生。在成年哺乳動(dòng)物大腦的海馬區(qū)域，這一過程是由活化的神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生增殖的子代細(xì)胞（包含了中間神經(jīng)祖細(xì)胞和成神經(jīng)細(xì)胞），進(jìn)一步分裂成未成熟的齒狀回顆粒神經(jīng)元細(xì)胞，而后這些未成熟神經(jīng)元會(huì)最終成熟，并融入神經(jīng)環(huán)路之中。

長期以來，由于缺乏一種簡單、靈敏并且可行的方法來識(shí)別成人腦組織樣本中新產(chǎn)生的未成熟神經(jīng)元，“人類成人神經(jīng)發(fā)生是否存在”的議題已經(jīng)引發(fā)了長達(dá)十幾年的爭論，神經(jīng)科學(xué)家很難達(dá)成共識(shí)。

其主要原因在于，此前引發(fā)爭論的多項(xiàng)研究證據(jù)來自于免疫組織學(xué)報(bào)告。“這些研究主要依賴于傳統(tǒng)的未成熟神經(jīng)元標(biāo)記物，即雙皮質(zhì)素的免疫組織化學(xué)結(jié)果，而雙皮質(zhì)素的染色標(biāo)記對(duì)于組化方法和人腦標(biāo)本質(zhì)量的要求都十分苛刻。由于檢測(cè)技術(shù)的限制使得人們對(duì)于人類海馬體中未成熟神經(jīng)元的認(rèn)識(shí)非常有限，因此需要尋求新的識(shí)別和分析的方法，尤其是高精度、高通量的方法?！敝芤憬榻B道。

對(duì)人類嬰兒海馬體中未成熟神經(jīng)元的單細(xì)胞測(cè)序和免疫組織學(xué)分析

為了研究人類海馬體中具有未成熟神經(jīng)元特征的細(xì)胞的存在、豐度和分子特性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并采用了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)一步提高分析精度，以區(qū)分未成熟和成熟海馬體神經(jīng)元之間的細(xì)微差異。

基于上述方法，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)從出生前、嬰兒期、幼兒期、青春期、成年直到耄耋之年（所檢測(cè)的最年老的樣品為92歲）等六個(gè)年齡組的全年齡段人類大腦樣本中都存在未成熟的海馬體神經(jīng)元。這些不同年齡段的未成熟神經(jīng)元所共同富集表達(dá)的基因與成熟神經(jīng)元不同，主要與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和神經(jīng)元投射發(fā)育等通路有關(guān)，并且與小鼠海馬的未成熟神經(jīng)元對(duì)比來看存在種屬差異。與此同時(shí)，人類海馬未成熟神經(jīng)元的部分分子屬性隨著年齡而變化。與之鮮明對(duì)比的是，研究人員用相同的分析方法和參數(shù)設(shè)置，并沒有在成人的額葉皮層、視覺、內(nèi)嗅皮層、小腦等其它多個(gè)公認(rèn)不存在未成熟神經(jīng)元的腦區(qū)的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集之中檢測(cè)到其存在。

為了更直接地了解神經(jīng)疾病如何造成其紊亂，周毅等人還對(duì)阿爾茨海默癥患者的海馬體樣本進(jìn)行了單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序并與同齡健康人對(duì)照研究。結(jié)果表明，阿爾茨海默癥患者大腦中未成熟神經(jīng)元的比例大大降低，并且其分子屬性及其與所在微環(huán)境內(nèi)的相鄰細(xì)胞的相互作用發(fā)生了變化。這一發(fā)現(xiàn)使我們對(duì)未成熟神經(jīng)元如何受神經(jīng)疾病影響有了分子機(jī)理層面的認(rèn)識(shí)。

目前的單細(xì)胞組學(xué)分析如同拍照一樣，只能記錄下按快門的時(shí)刻的情形。研究人員雖然檢測(cè)到了未成熟神經(jīng)元，但是并不清楚這些細(xì)胞究竟來自于出生前的發(fā)育階段還是確實(shí)是后天形成。為了進(jìn)一步確鑿這個(gè)關(guān)鍵問題，探究神經(jīng)發(fā)生的過程在成年人類中是否存在，研究人員在不添加任何生長因子的條件下將成年人海馬組織樣本切片，進(jìn)行短期離體細(xì)胞培養(yǎng)，并用核苷酸類似物示蹤細(xì)胞分裂。結(jié)果清晰地標(biāo)記到了新生的成神經(jīng)細(xì)胞和未成熟顆粒神經(jīng)元細(xì)胞，這表明成年人類的海馬體具有新產(chǎn)生神經(jīng)元的能力。

總體而言，該研究揭示了成人海馬未成熟神經(jīng)元的基因表達(dá)的特征，與小鼠之間的異同之處，并顯示其如何在正常衰老過程中發(fā)生變化，以及在阿爾茨海默病中的變化情況。

基于研究數(shù)據(jù)，研究人員積極展開假設(shè)：由于在靈長類中，從增殖的中間神經(jīng)祖細(xì)胞和成神經(jīng)細(xì)胞分化而來的未成熟神經(jīng)元的成熟周期較之于小鼠顯著延長，人類的更可能長達(dá)幾年，這樣即便靈長類動(dòng)物（包括人類）的海馬齒狀回神經(jīng)發(fā)生系統(tǒng)停留在相對(duì)低頻的增殖水平，海馬系統(tǒng)也能終生維持一個(gè)數(shù)量可觀的未成熟神經(jīng)元細(xì)胞群。這或許會(huì)為未來基于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生醫(yī)學(xué)提供一種新的思路和發(fā)展方向。

阿爾茨海默病患者表現(xiàn)出未成熟神經(jīng)元數(shù)量的減少和基因表達(dá)改變

單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)加速推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究

周毅的兩位導(dǎo)師——宋洪軍教授和明國莉教授均為美國國家醫(yī)學(xué)科學(xué)院院士，目前在賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院任講席終身教授。他們的研究團(tuán)隊(duì)長期合作致力于探索神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)干細(xì)胞、神經(jīng)表觀遺傳、類腦器官、誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞、神經(jīng)和精神類疾病模型、單細(xì)胞組學(xué)等眾多研究方向。并且，作為單細(xì)胞測(cè)序領(lǐng)域的先驅(qū)，他們的研究團(tuán)隊(duì)早在2015年起，就陸續(xù)發(fā)表了多篇相關(guān)論文。

本項(xiàng)研究伊始，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用多學(xué)科交叉的方法來掌握人類未成熟神經(jīng)元在整個(gè)生命周期和阿爾茨海默病中的全部情況，一大挑戰(zhàn)即是需要收集不同年齡組、不同疾病狀況的大量人體樣本?！岸嗄暌詠恚覀儗Ｗ⒉⒃噲D直接研究人類的神經(jīng)發(fā)生。然而對(duì)于腦科學(xué)研究來說，其不可避免的問題在于人體組織樣本的采集十分艱難。本項(xiàng)研究僅樣本收集過程便花費(fèi)數(shù)年時(shí)間?！敝芤憬榻B道。

他表示，“基于動(dòng)物模型的研究既不能完全模擬人類大腦的發(fā)育或疾病，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于潛在的治療化合物所產(chǎn)生的副作用進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。因此，直接研究人腦樣本，或者用基于人體多能干細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃团R床試驗(yàn)所產(chǎn)生的結(jié)果十分重要。在此基礎(chǔ)之上，借助于基因（組）編輯和檢測(cè)手段的快速進(jìn)展，該領(lǐng)域研究或?qū)⒂瓉砀嘈碌囊娊??！?/p>

該研究的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)在于識(shí)別出人類未成熟的神經(jīng)元。實(shí)驗(yàn)初期，研究團(tuán)隊(duì)與其他所有研究者一樣，同樣無法在單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集中識(shí)別出未成熟的神經(jīng)元群體。“我們當(dāng)時(shí)分析其可能的原因是未成熟和成熟的顆粒神經(jīng)元群體之間的分子差異太小，目前通行的生物信息學(xué)分群方法無法檢測(cè)和甄別?！?/p>

據(jù)此，周毅等選擇先檢測(cè)人類嬰兒期的海馬，這一年齡段公認(rèn)存在大量未成熟神經(jīng)元。他以這些樣本中高可信度的未成熟神經(jīng)元作為“原型”，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)使用已發(fā)表的具有大量未成熟神經(jīng)元的和公認(rèn)不存在未成熟神經(jīng)元的腦區(qū)的多個(gè)數(shù)據(jù)集，分別作為陽性和陰性對(duì)照，還事先將整套策略在已發(fā)表的小鼠海馬數(shù)據(jù)集中測(cè)試了一遍，最終建立起了高靈敏度和高特異性的機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別方法。

周毅坦言，采用單細(xì)胞組學(xué)的方法來探索人腦和腦部疾病才起步不久。接下來團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究不同腦部疾病中的未成熟神經(jīng)元，以確定它們?cè)谀X部疾病中的相關(guān)性甚至應(yīng)用。并且將使用人類多能干細(xì)胞分化的模型系統(tǒng)，對(duì)影響人類神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵基因的進(jìn)行功能性的驗(yàn)證工作，建立其因果性。除此之外，他表示，他對(duì)開發(fā)和整合單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)十分感興趣，尤其是包含空間信息的測(cè)序技術(shù)，再結(jié)合先進(jìn)的生物信息學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘。這些技術(shù)平臺(tái)的協(xié)同發(fā)展一定可以為研究按下“加速鍵”。

“我們做研究的目標(biāo)始終是想為神經(jīng)科學(xué)提供新的、未知的信息和知識(shí)，推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展。比如這項(xiàng)研究的立項(xiàng)之初，我們就不愿停留在爭論有或沒有的二元化問題，而是想結(jié)合近10年來飛速發(fā)展的新平臺(tái)和新技術(shù)，來為本領(lǐng)域注入新動(dòng)力——不僅是開發(fā)新的大通量的數(shù)據(jù)庫，我們也希望通過高靈敏度的方法，在組學(xué)層面挖掘出一些新的標(biāo)記物，加深我們對(duì)這一重要的細(xì)胞類型受到衰老和腦部疾病影響的認(rèn)識(shí)?！敝芤銓?duì)此強(qiáng)調(diào)。