中国科学家首次解析人脑“中央处理器”,领先美国脑计划

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2018-04-06

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中国科学家首次解析人脑“中央处理器”,领先美国脑计划

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  “我们可以探索数光年外的宇宙,但对我们两耳之间3磅重的大脑知之甚少。

”这一想法推动美国前任总统奥巴马启动了“推进创新神经技术脑研究计划”,也就是所谓的“脑计划”。

  中国同一领域内的研究也在加快步伐。

北京时间3月15日凌晨,顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表文章“Asingle-cellRNA-seqsurveyofthedevelopmentallandscapeofthehumanprefrontalcortex”。

该论文通讯作者是来自中国科学院生物物理研究所的王晓群教授,北京大学的汤富酬教授、乔杰教授和安贞医院的张军教授。 王晓群也是2014年-2018年国家重大科学研究计划“成体神经干细胞的命运决定机制与功能研究”首席科学家。   王晓群在接受澎湃新闻专访时表示,“这项研究首次针对人类前额叶皮层(PFC)发育过程中前额叶形成中的细胞与分子机制进行了系统研究,应该说我们的工作已经比美国‘脑计划中的细胞图谱部分’快了一步。

”  人脑前额叶皮层人类大脑高级功能的关键组成部分,堪称人脑的“中央处理器”。 从灵长类祖先进化到现代人类的过程中,大脑容量增加了一倍,增加部分则主要体现在前额叶皮层面积的增加上。 人类的前额叶皮层占到了大脑皮层总面积的三分之一。

  从功能上来说,前额叶皮层负责人脑的高级智力活动,是人类思想的重要物质基础。

主要参与记忆形成、短期储存以及调取功能、语言功能、认知能力、行为决策、情绪的调节等功能。

  然而,长期以来摆在科学家面前的尴尬处境是,既想对大脑的奥秘一探究竟,同时却连大脑由多少细胞构成都不清楚。

“虽然大家都说大脑有各种各样的功能,但大脑里面究竟有多少个细胞我们都不清楚,基本的细胞组成都不了解,所以也就很难去理解脑的高级认知功能是怎么来的。

”王晓群表示。

  人脑“CPU”在8-26孕周如何发育  论文中提到,尽管神经回路是在人类胚胎发育的晚期甚至在人类出生后才形成,但各种不同功能的细胞在胚胎发育过程中就形成并迁移至相应的区域。   为获得系统、动态的神经细胞发育过程,研究团队借助RNA测序分析了超过2300个单细胞,这些单细胞来源于8-26孕周、尚处于发育阶段的人类前额皮质。

  最终,王晓群及其同事确认了六大主要类型共计35个亚型的细胞,并追踪这些细胞的发育轨迹。 “我们发现,在动态发育的人类胚胎前额叶皮层中,主要由神经干细胞、兴奋性神经元、抑制性神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等六大类细胞组成,并进一步把这六大类细胞精确地划分为35个独立的细胞亚型。

”  明确细胞构成仅仅是获得基石。 “我们继续利用拟时间等算法重构了这些神经细胞类型之间的发育谱系关系,发现在前额叶皮层中的神经干细胞是一个具有高度复杂的异质性的功能细胞群体,在不同的胚胎发育阶段分别分化成神经元细胞、星型胶质细胞和少突胶质细胞”。 王晓群表示。

  随后,通过更深入的功能分析,研究人员发现了与神经干细胞对称分裂、神经元发生、胶质细胞发生这三个重要神经发育事件密切相关的一系列关键基因表达特征,并进行了深入、系统的实验验证。

  此外,近年来在人类神经干细胞的研究中,科学家将精力主要集中在放射性神经胶质细胞。 王晓群等人认为,中间前体细胞(IPC)对于神经发生、特别是灵长类动物的神经发生同样起着重要的作用。   通过系统的数据分析和多层次实验验证,研究人员提出,中间前体细胞的产生具有两个关键爆发期。 “一个是在胚胎发育10周左右,这些中间前体细胞主要由放射状神经胶质细胞(RG)大量产生,而另一个峰值则发生在胚胎发育16周左右,这些中间前体细胞由外放射状胶质细胞(oRG)大量产生。 ”王晓群解释,“正是通过中间前体细胞的这两个爆发期的形成,数量庞大的神经元才能在短暂的大脑皮层发育时期内快速生成,并形成了结构复杂、功能丰富的前额叶皮层。

”  研究团队通过对神经元单细胞转录组数据的系统分析和深度挖掘,还首次揭示了在人类大脑前额叶皮层发育过程中兴奋性神经元生成、迁移和成熟的三个关键阶段。

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