Nature:發現一種新類型的中間神經元僅存在於靈長類動物大腦中

2020-12-15 生物谷

2020年10月9日訊/

生物谷

BIOON/---精神分裂症和自閉症等神經精神疾病是大腦化學物、環境和

遺傳

學之間的複雜相互作用的結果，需要仔細研究才能了解它們的根源。科學家們傳統上依靠從小鼠和非人靈長類動物身上提取的樣本來研究這些疾病是如何產生的。但是，一個問題一直揮之不去：這些受試對象的大腦是否與人類足夠相似，從而產生有用的新見解？

如今，在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所、麻省理工學院和哈佛醫學院的研究人員報導了雪貂、小鼠、非人靈長類動物和人類大腦中的幾個關鍵差異，這些差異都集中在一種稱為中間神經元（interneuron）的神經元上。最令人驚訝的是，他們只在靈長類動物中發現了一種新的中間神經元類型，這種類型的中間神經元位於大腦中與亨廷頓病和潛在的精神分裂症有關的紋狀體中。相關研究結果於2020年9月30日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Innovations present in the primate interneuron repertoire」。

圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2781-z。

這些發現可能幫助科學家們選擇最好地模擬與這些疾病有關的人類大腦特徵的實驗室模型，從而有助於加快對神經精神疾病的原因和治療方法的研究。

論文通訊作者、哈佛醫學院

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學教授Steven McCarroll說，「這項研究的數據將為人類大腦疾病的研究提供信息，這是因為它幫助我們思考人類大腦的哪些特徵可以在小鼠中進行研究，哪些特徵需要在狨猴等更高級的有機體中進行研究，以及為什麼小鼠模型往往不能反映人類相應突變的影響。」

論文共同作者、麻省理工學院麥戈文腦研究所神經科學教授Guoping Feng說，「神經元的功能障礙與包括自閉症譜系障礙和精神分裂症在內的幾種腦部疾病有密切聯繫。這些數據進一步證實了非人靈長類動物模型在理解大腦疾病的神經生物學機制以及開發和測試治療方法方面的獨特重要性。」

深入了解中間神經元

中間神經元形成了大腦神經迴路中的關鍵節點，並通過釋放抑制其他神經元放電的神經遞質GABA來幫助調節神經元活性。

論文第一作者、McCarroll實驗室博士後研究員Fenna Krienen和她的同事們希望追蹤中間神經元的自然歷史。

Krienen說，「我們想了解組成大腦的細胞類型的進化軌跡。隨後，我們去獲取動物物種的樣本，這些樣本可以為理解人類和神經科學研究中經常代表人類的動物模型之間的進化分歧提供信息。」

這些研究人員使用的工具之一是Drop-seq，這是一種由McCarroll實驗室開發的高通量單核RNA測序技術，用於確定雪貂、人類、獼猴、狨猴和小鼠大腦中超過184000個端腦中間神經元的作用和位置。利用冷凍的組織樣本，他們從皮層、海馬體和紋狀體中分離出中間神經元的細胞核，並對這些細胞中的RNA進行了分析。

這些研究人員原本認為，由於在所有脊椎動物中都發現了中間神經元，所以這些細胞在不同物種之間相對變化不大。Krienen說，「但是，通過這些高靈敏的測量和來自不同物種的大量數據，我們了解到不同物種中中間神經元的活躍程度存在差異。」

她和她的合作者確定了他們所研究的物種之間的四個主要的中間神經元差異：這些細胞改變了它們在整個大腦區域的比例，改變了它們用來與其他神經元連接的程序，並且可以遷移到大腦的不同區域。但是最引人注目的是，他們發現，靈長類動物有一種其他物種中沒有的新型中間神經元。這種中間神經元位於紋狀體中。紋狀體是負責認知、獎賞和協調運動的大腦結構，早在遠古原始魚類的進化樹上就已經存在了。他們驚奇地發現，這種新的中間神經元類型佔紋狀體中所有中間神經元的三分之一。

McCarroll說，「雖然我們預計人類和靈長類動物大腦的重大創新是在大腦皮層，我們傾向於將大腦皮層與人類的智慧聯繫在一起，但事實上，在古老的紋狀體中，Krienen發現了靈長類動物大腦中最引人注目的細胞創新。這種細胞類型以前從未被發現過，這是因為小鼠沒有類似的細胞。」

論文共同作者、哈佛醫學院神經生物學教授Gord Fishell說道，「是什麼提供了認知能力中的『人類優勢』，這是神經生物學家努力回答的基本問題之一。這些發現解決了'我們如何打造更好的大腦'這個問題。」

更好地了解這些抑制性神經元如何在人類和實驗室模型之間變化，將為科學家們提供研究各種大腦疾病的新工具。下一步，這些研究人員將在這項研究的基礎上，確定每種類型的中間神經元的具體功能。

Krienen說，「在研究神經發育障礙時，你需要確信你的模型在真正複雜的社會行為上是合適的。這項研究的主要主題是靈長類動物在所有這些中間神經元創新方面總體上似乎是非常相似的。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Fenna M. Krienen et al. Innovations present in the primate interneuron repertoire. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2781-z.

2.New neuron type discovered only in primate brains
https://medicalxpress.com/news/2020-10-neuron-primate-brains.html

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