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axolotl（Ambystoma mexicanum）是一種水生蠑螈，以其再生脊髓、心臟和四肢的能力而聞名。這些兩棲動(dòng)物一生也很容易制造出新的神經(jīng)元。1964年，研究人員觀察到，即使完全切除了很大一部分，成年軸突也可以再生大腦的一部分。但一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，軸突大腦再生重建原始組織結(jié)構(gòu)的能力有限。

那么，蠑螈在受傷后如何完美地再生他們的大腦呢？

作為一名研究細(xì)胞水平再生的研究人員，Ashley Maynard和他在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Treutlein實(shí)驗(yàn)室和維也納分子病理學(xué)研究所的Tanaka實(shí)驗(yàn)室的同事想知道軸突是否能夠再生大腦中所有不同的細(xì)胞類型，包括連接一個(gè)大腦區(qū)域和另一個(gè)大腦區(qū)域的連接。在他們最近發(fā)表的研究中，他們創(chuàng)建了一個(gè)構(gòu)成軸突大腦一部分的細(xì)胞地圖集，揭示了它再生的方式和跨物種的大腦進(jìn)化。

為什么要看細(xì)胞？

不同的細(xì)胞類型具有不同的功能。他們能夠?qū)ｉT扮演某些角色，因?yàn)樗麄兏髯员磉_(dá)不同的基因。了解大腦中有哪些類型的細(xì)胞以及它們的作用有助于澄清大腦如何工作的整體情況。它還允許研究人員對(duì)整個(gè)進(jìn)化進(jìn)行比較，并試圖找到跨物種的生物趨勢(shì)。

了解哪些細(xì)胞表達(dá)哪些基因的一種方法是使用一種稱為單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）的技術(shù)。該工具允許研究人員計(jì)算特定樣本的每個(gè)細(xì)胞內(nèi)的活性基因數(shù)量。這提供了每個(gè)細(xì)胞在收集時(shí)正在進(jìn)行的活動(dòng)的“快照”。

該工具有助于了解動(dòng)物大腦中存在的細(xì)胞類型?？茖W(xué)家在魚類、爬行動(dòng)物、小鼠甚至人類中使用了scRNA-seq。

單細(xì)胞RNA測(cè)序可以提供有關(guān)樣本中每個(gè)細(xì)胞的特定功能的信息。

映射軸聲波特爾大腦

Ashley Maynard團(tuán)隊(duì)決定專注于軸突的腦。在人類中，大腦最大的分裂，包含一個(gè)稱為新皮層的區(qū)域，在動(dòng)物行為和認(rèn)知中起著關(guān)鍵作用。在最近的進(jìn)化過(guò)程中，與其他大腦區(qū)域相比，新皮層的體型大幅增長(zhǎng)。同樣，構(gòu)成腦全細(xì)胞的細(xì)胞類型高度多樣化，并隨著時(shí)間的推移而變得復(fù)雜，使該地區(qū)成為一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。

他們使用scRNA-seq來(lái)識(shí)別構(gòu)成軸突的不同類型的細(xì)胞，包括不同類型的神經(jīng)元和祖細(xì)胞，或可以分裂成更多自身或變成其他細(xì)胞類型的細(xì)胞。他們確定了當(dāng)祖細(xì)胞成為神經(jīng)元時(shí)哪些基因是活躍的，并發(fā)現(xiàn)許多基因在成為成熟的神經(jīng)元之前通過(guò)一種稱為神經(jīng)母細(xì)胞的中間細(xì)胞類型——以前未知存在于軸突中。

然后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)去除其腦的一段來(lái)測(cè)試軸突再生。使用專門的scRNA-seq方法，能夠在受傷后1到12周的不同再生階段捕獲和測(cè)序所有新細(xì)胞。最終，他們發(fā)現(xiàn)所有被刪除的細(xì)胞類型都已完全恢復(fù)。

團(tuán)隊(duì)觀察到大腦再生分三個(gè)主要階段進(jìn)行。第一階段從祖細(xì)胞數(shù)量的迅速增加開始，這些細(xì)胞的一小部分激活了傷口愈合過(guò)程。在第二階段，祖細(xì)胞開始分化為神經(jīng)母細(xì)胞。最后，在第三階段，神經(jīng)母細(xì)胞分化為最初丟失的相同類型的神經(jīng)元。

令人驚訝的是，該團(tuán)隊(duì)還觀察到，被切除的區(qū)域與大腦其他區(qū)域之間斷斷的神經(jīng)元連接已經(jīng)重新連接。這種重新布線表明再生區(qū)域也恢復(fù)了其原始功能。

Axolotls的再生能力一直是科學(xué)家著迷的來(lái)源。

兩棲動(dòng)物和人類大腦

在進(jìn)化謎題中添加兩棲動(dòng)物可以讓研究人員推斷大腦及其細(xì)胞類型如何隨著時(shí)間的推移而變化，以及再生背后的機(jī)制。

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)將軸突數(shù)據(jù)與其他物種進(jìn)行比較時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)其腦中的細(xì)胞與哺乳動(dòng)物海馬體、參與記憶形成的大腦區(qū)域和嗅覺皮層（大腦中參與嗅覺）表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性。他們甚至發(fā)現(xiàn)一種軸突細(xì)胞類型與新皮層有一些相似之處，新皮層是大腦中以人類感知、思想和空間推理而聞名的區(qū)域。這些相似性表明，大腦的這些區(qū)域可能在進(jìn)化上是保守的，或者在進(jìn)化過(guò)程中保持可比性，哺乳動(dòng)物的新皮層在兩棲動(dòng)物的腦中可能具有祖先細(xì)胞類型。

雖然他們的研究揭示了大腦再生的過(guò)程，包括涉及哪些基因以及細(xì)胞最終如何成為神經(jīng)元，但研究團(tuán)隊(duì)仍然不知道是什么外部信號(hào)會(huì)引發(fā)這個(gè)過(guò)程。

該團(tuán)隊(duì)不會(huì)獨(dú)自解決大腦進(jìn)化的難題。哥倫比亞大學(xué)的Tosches實(shí)驗(yàn)室探索了另一種蠑螈Pleurodeles waltl細(xì)胞類型的多樣性，而中國(guó)廣東醫(yī)學(xué)院的Fei實(shí)驗(yàn)室和生命科學(xué)公司BGI的合作者探索了軸索洛特前腦細(xì)胞類型的空間排列。

識(shí)別軸突大腦中的所有細(xì)胞類型也有助于為再生醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新研究鋪平道路。小鼠和人類的大腦在很大程度上已經(jīng)失去了自我修復(fù)或再生的能力。嚴(yán)重腦損傷的醫(yī)療干預(yù)目前側(cè)重于藥物和干細(xì)胞療法，以促進(jìn)或促進(jìn)修復(fù)。檢查允許軸突細(xì)胞實(shí)現(xiàn)近乎完美的再生的基因和細(xì)胞類型可能是改善嚴(yán)重?fù)p傷治療和釋放人類再生潛力的關(guān)鍵。

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