大腦產生多種神經元的機制：神經幹細胞
撰文丨十一月
大腦中谷氨酸能興奮性神經元與γ-氨基丁酸能（GABAergic）抑制性神經元之間恰如其分的微妙平衡是大腦正確發揮功能的關鍵。抑制性中間神經元的缺陷會導致神經發育以及包括抑鬱症、癲癇以及精神分裂症等精神類疾病的發生【1】。GABAergic皮層中間神經元主要產生於胚胎腹側前腦的生髮區，包括內側和尾部神經節隆起（Medial and caudal ganglionic eminences, MGE and CGE），神經節隆起中發生着廣泛的神經元遷移，到達皮層以及其他的前腦區域【2】。在完成遷移後，神經元成熟成爲不同的亞型， 這是正常大腦皮層節律和認知功能的基礎。但是目前尚不清楚人類MGE如何能夠產生足夠數量的中間神經元從而滿足大腦皮層的需求。
爲了進一步揭開大腦發揮功能的神秘面紗，加州大學舊金山分校Eric J. Huang研究組與Arturo Alvarez-Buylla研究組在Science合作發文題爲Nests of dividing neuroblasts sustain interneuron production for the developing human brain，通過對人類大腦內側神經節隆起部位超微結構以及轉錄特徵的揭示，發現其中包含具有增殖能力的神經幹細胞（Neuroblasts），並通過異種移植實驗確認了這些的神經幹細胞遷移、發育以及分化的功能。
首先作者們對妊娠期14周到39周內人類MGE結構進行分析（圖1），可以發現在14周到22周的發育過程中人類MGE的尺寸逐漸增加，但是到34周至39周這段時間會MGE的尺寸會降低，但仍然可以看到是一個楔形的、靠近室壁的結構。通過橫切面細胞標記物的表達模式以及核磁共振成像，作者們確認18-22周齡的人類大腦體積逐漸增加，而在33周時體積降低。隨後，作者們通過對中間神經元特異性分化以及遷移的轉錄因子細胞標記物檢測，進一步確認了其中MGE在發育過程中會逐漸組裝形成一個緊實的細胞聚集體或者說巢式結構（Tight cellular aggregates, or nests）。進一步地，通過對這些細胞類型分析，作者們確認該區域內中間神經元亞型標記物陽性的細胞都是早期GABAergic中間神經元。
圖1 妊娠期人類MGE的發育過程
隨後作者們通過透射電鏡對人類MGE腦區的超微結構進行分析，發現該巢式結構中被一束一束的放射狀膠質細胞所分開，該區域中所有的細胞具有較小的細胞核以及顏色較深的核質、存在異染色質斑塊、胞質很少且具有遊離的核糖體以及小的粘着斑連接，這些都是較爲年輕神經元中的特徵。通過對MGE腦區中前體細胞組織方式的檢測，發現與其他腦區基因表達方式不同，這可能正是MGE腦區緊密的巢式結構形成的原因。通過與 Ki-67這一表達在分裂細胞中的蛋白共同免疫染色，作者們確認了該區域中存在分裂的細胞，這些細胞是人類MGE腦區中的神經幹細胞。
爲了證實人類MGE腦區中的神經幹細胞的功能，作者們進行了異種移植（Xenotransplantation）的實驗【3-4】。通過將14-16周齡人類MGE腦區樣本中的細胞進行分離並移植到動物體內，並對其功能進行監測（圖2）。作者們發現首先移植後的人類MGE腦區細胞能夠維持其區域特異性身份，特異性的細胞標記物免疫染色可以確認這一結果。另外，作者們發現這些移植到小鼠腦部的細胞可以進行分裂以及遷移，能夠模擬人類MGE腦區中細胞自組裝的方式以及形成緻密的巢式結構。另外，通過電生理等實驗對移植後的MGE腦區細胞生理功能進行監測，確認了這些這件神經元功能的正常。
圖2 異種移植實驗流程
總的來說，該工作揭開了人類內側神經節隆起中結構中具有分裂能力的神經幹細胞的存在，並發現在早期發育過程中內側神經節隆的超微結構以及轉錄方面的特異性，人類大腦MGE腦區通過形成緻密的巢式結構促進功能的進一步完善，爲揭開大腦的功能提供了新的見解（圖3）。另外，體外異種移植的實驗也爲臨牀治療以及發育過程中人類大腦GABAergic皮層中間神經元提供了新的研究平臺與來源。
圖3 工作模型
同期刊發了觀點文章對該工作進行了高度評價，題爲Human cortical interneuron development unraveled，用臨牀前的模型開啓了對與神經元多樣性的認識。在小鼠中的異種移植實驗還需要進一步的優化，但臨牀前的實驗已經開始，未來中間神經元的細胞療法可將會爲人類體內的大腦皮層的中間神經元移植治療手段的優化鋪平道路。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.abk2346
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參考文獻
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