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

2020-11-26 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

遺傳

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

相關焦點

  • Nature | 靈長類動物中間神經元的新發現
    ，齧齒動物和鼬鼠的同源大腦區域共188776個中間神經元的RNA表達情況，發現物種內部和物種間中間神經元的顯著差異，並鑑定出一組在靈長類動物中富集，而在嚙齒類動物和鼬鼠中沒有分子同源對應物的紋狀體中間神經元類型
  • 研究揭示靈長類中間神經元庫的革新
    Krienen研究小組在研究中取得進展。他們揭示了靈長類中間神經元庫的革新。這一研究成果在線發表在2020年9月30日的《自然》上。 研究人員利用單核RNA測序分析了三個靈長類動物（人、獼猴和狨）、齧齒動物（小鼠）和鼬鼠（雪貂）188,776個跨同源腦區單個中間神經元的RNA表達。
  • 飲食習性決定靈長類動物大腦體積
    原標題：飲食習性決定靈長類動物大腦體積 　　科技日報華盛頓3月27日電 （記者劉海英 張夢然）人和靈長類動物的大腦比其它脊椎動物要大很多。為什麼會這樣？人們普遍接受的觀點是社會大腦假說，即社會關係因素促使靈長類動物大腦增大。
  • 「收藏」自閉症非人靈長類動物模型總結
    在過去的幾十年中，齧齒動物已被廣泛用於研究ASD的發病機理。然而，齧齒動物和人類之間在社交行為和大腦解剖學方面存在較大的進化差異。為此，除了自閉症嚙齒類模型，研究者們嘗試建立了一些非人類的靈長類動物模型來促進ASD的研究。
  • 科學家再現了人類與靈長類動物在進化中分開的歷史時刻
    在哺乳動物的進化過程中，大腦的進化趨勢是逐漸增大的。如果觀察人類與其他靈長類動物的區別，腦容量可能是其中最重要的區別之一。1700萬年前，人科從長臂猿科的祖先中分離出來。1000萬年前，人族從大猩猩族的祖先中分離出來。700萬年前，人亞族從黑猩猩亞族的祖先中分離出來。
  • 烏鴉可能是除靈長類外最聰明的動物
    許多年後，研究發現新喀裡多尼亞烏鴉都習慣弄彎樹枝做鉤子。這種烏鴉在野外經常這樣幹。一開始，觀察者被 Betty 的行為嚇了一大跳，因為看起來她的工具鉤子好像是她獨自設計想出來的，其行為就像一個人類工程師發明了一種新機器一樣。事實上，新喀裡多尼亞烏鴉用柔軟的小樹枝製作鉤形工具是這個物種進化衍生出來的天性，是它們日常覓食行為的一種本能。
  • 人猿起源-靈長類動物
    猴類也稱為靈長類，它也是動物界裡最進化的一類。猴大腦發達，四肢可以使用簡單工具和抓取食物，手趾也可以分開，有助於攀爬樹枝和拿東西，四肢等長或後肢稍短，尾巴也或長或短，有頰囊和臂部胼胝，營樹棲或陸棲生活，部分特徵差不多，例如很多新世界猴會有纏卷的尾巴，而每種類的猴仔有某些特徵一樣，猴一直以驚人速度在進化。並且猴是與人親緣關係最近的一類動物。
  • Nature子刊:靈長類腦中抽象規則認知的產生|腦科學頂刊導讀78期
    頂刊導讀目錄 1，靈長類腦中抽象規則認知的產生2，交互中心認知：他人如何影響我們的認知過程3，前額葉皮質投射神經元靶向背側紋狀體控制行為抑制4，所有人都是直覺科學家：重新思考決策的統計解釋5，從失敗的行為改變中學習1，靈長類腦中抽象規則認知的產生期刊：nature reviews
  • 靈長類動物大腦發育及老化過程中lncRNA的動態變化特徵和調控解析
    大腦是生物體內結構和功能最複雜的器官，具有精巧和完善的信息處理系統。大腦的正常發育是其執行功能的基石，受到遺傳和包括長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA, lncRNA）在內的一系列表觀遺傳等多種因素的調控。
  • Nature子刊:靈長類腦中抽象規則認知的產生| 腦科學頂刊導讀78期
    2，交互中心認知：他人如何影響我們的認知過程　　3，前額葉皮質投射神經元靶向背側紋狀體控制行為抑制　　4，所有人都是直覺科學家：重新思考決策的統計解釋　　5，從失敗的行為改變中學習　　1，靈長類腦中抽象規則認知的產生　　期刊：nature reviews neuroscience
  • 靈長類動物智商排序 猩猩位列第一
    在人們的印象中，黑猩猩和大猩猩擁有和人類最近的親緣關係，是最聰明的動物。然而在哈佛大學研究人員近日公布的一份靈長類動物智商排序中，位居榜首的卻並非是黑猩猩和大猩猩，而是猩猩。　　不過負責動物智商研究的哈佛大學心理學家詹姆斯·李說：「猩猩可能同人類有更為非同一般的親緣關係。它們甚至可能曾在人類進化過程中起過關鍵作用。」猩猩曾經廣泛分布在亞洲的密林中，由於棲息地遭破壞和受到偷獵威脅，目前它們瀕臨滅絕，只有在蘇門答臘島和婆羅洲島上能夠見其蹤影。研究還有一些其他意外發現，比如大猩猩沒有蜘蛛猿智商高。之前一直位列智商前十位的狒狒在這次排序中跌到了第14位。
  • 人類大腦為何是動物中最大的?這個因素決定
    靈長類動物學家詹姆斯-希格漢姆向記者解釋了人類進化的重要一環，即為什麼人類擁有如此大的大腦。狐猴是人類眾多近親之一，希格漢姆展示了多個狐猴的顱骨，他特別感興趣的是這些顱骨的大小。通過對多種靈長類動物，如猴子、狐猴和人類等顱骨特點的分析，希格漢姆等人提出一個關於人類大腦如此之大的新觀點。
  • Nat Neurosci:電腦模型揭示大腦如何管理短期記憶
    然而，大腦如何管理工作記憶卻一直是個謎。現在，Salk科學家開發了一種新的計算模型，該模型顯示了大腦如何使用特定類型的神經元在短期內維持信息。他們的發現發表在2020年12月7日的《nature Neuroscience》上，可以幫助闡明為什麼在包括精神分裂症在內的多種神經精神疾病以及正常衰老中會損害工作記憶。
  • 將人類基因植入後,科學家發現猴子的大腦更像人類了
    近日，在一項實驗室實驗中，科學家將一種人類基因植入了猴子的大腦。專家們發現，這種被稱為ARHGAP11B的基因的插入，導致了普通絨猴胎兒的新大腦皮層變大。新大腦皮層是大腦深處的溝槽外層，參與推理、語言、意識思維和其他重要功能。ARHGAP11B在人類中發現，但在非人類靈長類或其他哺乳動物中沒有發現，它觸發了猴子的腦幹細胞形成更多的幹細胞，擴大了大腦體積。
  • 飲食或能更好地預測靈長類動物腦容量
    圖片來源：《自然—生態與演化》 相較於社會生活的複雜度，靈長類動物的飲食或能更好地預測其腦容量
  • 非人靈長類動物可以表達他人的想法嗎?腦科學頂刊導讀 50期
    我們發現，整個大腦皮層活動的大部分變異（~75%）可以由神經活動的~14個「模塊」的有限集合來解釋。每個模塊捕獲一種獨特的皮層神經活動的時空模式。這些模塊在動物中普遍存在，並在多種行為環境中可見。不同的行為狀態之間模塊的表達不同，並且特定的模塊需要感官加工參與，這表明模塊反映了核心皮層的計算。
  • JNS:意外發現一種中間神經元的「類星形膠質細胞作用」
    VTC Fralin生物醫學研究所教授Michael Fox領導的一個研究小組發現了一種能夠產生19號膠原蛋白的腦細胞，而這種膠原蛋白是形成大腦中抑制迴路的關鍵成分。這項研究發表在了《神經科學雜誌》上，研究中描述了一種先前未知的健康大腦發育的潛在分子機制。該研究結果或將為科學家們開發成熟或修復細胞網絡以及緩解疾病的新藥奠定基礎。
  • Cell Stem Cell:發現一種新的中間胚胎幹細胞類型,有望開發新的...
    2020年12月8日訊/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心、加州大學戴維斯分校、中國五邑大學、江門大健康國際創新研究院、深圳華大基因研究院和中山大學附屬第一醫院等研究機構的研究人員從多種物種中獲得一種新的「中間（intermediate）」胚胎幹細胞類型，它可以在培養皿中產生嵌合體，並產生精子和卵子的前體細胞
  • 中國科學家首次在靈長類動物中實現一步基因全敲除 | 前沿
    科學家已經使用該技術在多個物種中實現基因的敲除或者修改，也就是大家通常所說的轉基因動物。通過囊胚注射或者受精卵時期直接注射核酸酶（如Cas9），科學家已經可以製備從嚙齒類到靈長類的各種哺乳動物的轉基因模型。這些動物模型極大地促進了人類對基因功能的理解，也對在製藥等領域的應用有著深遠的影響。
  • 非人靈長類動物可以表達他人的想法嗎？腦科學頂刊導讀 50期
    ✎ 頂刊導讀目錄 1，鏡像的大腦組織：統計異常或半球功能性偏倚的逆轉？ 2，低維時空動態性是整個皮層神經活動的基礎 3，腹側被蓋區多巴胺神經元控制動機行為過程中的動力向量 4，非人靈長類動物真的表達他人的想法嗎？