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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)技術(shù)（Stereo-seq）了。

有了這項技術(shù)，科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)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(xué)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?？臻g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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)家們利用時空組學(xué)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。