芝加哥大学阿贡分校的研究发现小鼠和灵长类动物的大脑以相同的速度成熟

小鼠通常活两年，猴子活25年，但两者的大脑似乎同时发育突触。这一发现发表在最近由阿贡国家实验室的神经科学家Bobby Kasthuri及其在芝加哥大学的同事领导的一项研究中，对神经科学家来说是一个震惊。

到目前为止，人们认为小鼠的大脑发育比其他寿命更长的哺乳动物（如灵长类动物和人类）发生得更快。例如，那些研究2个月大的老鼠大脑的人认为大脑已经完成了发育，因为它的总寿命较短。相比之下，2个月大的灵长类动物的大脑仍然被认为正在经历发育变化。因此，2个月大的小鼠大脑不被认为是与2个月大的灵长类动物的大脑的良好比较模型。

这种假设似乎是完全错误的，作者认为这将对使用年轻小鼠大脑数据作为研究各种人类疾病（包括自闭症和其他神经发育障碍）的基础的许多结果提出质疑。

“神经科学的一个基本问题，特别是在哺乳动物的大脑中，是大脑是如何成长的？”Kasthuri说。“事实证明，哺乳动物的大脑在每个绝对阶段都以相同的速度成熟。我们将不得不重新考虑老龄化和发展，因为我们发现它是同一个时钟。

“这太令人震惊了”

格雷格·维尔登伯格（Gregg Wildenberg）是芝加哥大学的一名科学家，也是该研究的主要作者。他仔细观察了非常年轻的小鼠大脑中放电的神经元和突触。他惊奇地发现，这只小老鼠爬行、进食和行为都像人们所期望的那样，尽管它的大脑回路几乎没有可测量的联系。

“我想我在整个神经元上发现了一个突触，这令人震惊，”Wildenberg说。“这只活着的小动物在出生六天后就存在于子宫外，在没有任何大脑神经元实际相互连接的情况下行为和体验世界。我们必须小心不要过度解释我们的结果，但这令人着迷。

脑神经元与其他器官细胞的神经元不同，因为脑细胞是有丝分裂后的，这意味着它们永远不会分裂。身体中的所有其他细胞——肝脏、胃、心脏、皮肤等——在一生中都会分裂、被替换和恶化。这个过程从发育开始，最终过渡到衰老。然而，大脑是唯一在生命的第一天和最后一天具有基本相同细胞的哺乳动物器官。

更复杂的是，每个物种的早期胚胎细胞看起来都是一样的。如果鱼、小鼠、灵长类动物和人类胚胎都放在培养皿中，几乎不可能弄清楚哪个胚胎会发育成哪个物种。

在某个神秘的时刻，胚胎内发生了发育编程的变化，只出现了一个特定的物种。科学家们想了解脑细胞在大脑发育以及物种内身体发育中的作用。

模糊的含义

Kasthuri知道，许多科学家需要更多的数据来证实最近研究的结果。他本人正在新信息的背景下重新考虑过去的研究结果。

“我们之前做的一项研究是将成年小鼠的大脑与成年灵长类动物的大脑进行比较。我们认为灵长类动物比老鼠更聪明，所以每个神经元都应该有更多的连接，更灵活，有更多的路线等等，“他解释说。“我们发现情况恰恰相反。灵长类神经元的连接比小鼠神经元少得多。现在，回想起来，我们以为我们在比较相似的物种，但事实并非如此。我们将3个月大的小鼠与5岁的灵长类动物进行了比较。

这项研究对人类的影响是模糊的。首先，在行为上，人类的发育比其他物种慢。例如，许多四足哺乳动物可以在出生后的第一个小时内行走，而人类通常需要一年多的时间才能走完第一步。与其他哺乳动物大脑相比，人类大脑的突触发育规则和速度是否不同？

“我们相信，当我们能够观察人体组织时，会发现一些非凡的、神奇的东西，”Kasthuri说，他怀疑人类可能完全处于不同的时间表上。“这就是所有其他哺乳动物物种相同的时钟可能会被打破的地方。

Wildenberg希望在研究期间收集的信息将导致开发更好地针对人类神经系统疾病和疾病的药物。

“小鼠模型可能非常适合开发心血管药物，因为心脏基本上是泵，在各个物种之间工作相似，”他说。“然而，开发治疗神经系统疾病的药物非常困难。重要的是要了解不同物种的大脑是如何进化的，这样科学家就可以根据大脑的创新和适应来定制方法。

Kasthuri 和他的团队能够推进他们最近的发现，这要归功于 Argonne Leadership Computing Facility，该设施能够处理巨大的数据集——“TB、TB 和更多 TB 的数据，”Kasthuri 说——在纳米尺度上观察脑细胞。研究人员使用超级计算机设施观察了每个神经元，并计算了两个物种多个年龄的多个大脑样本中的每个突触。Kasthuri说，如果没有Argonne Leadership Computing Facility，收集和分析这种水平的数据是不可能的。

该论文的其他作者是研究生Hanyu Li，Vandana Sampathkumar和Anastasia Sorokina。

引文：“灵长类动物和小鼠皮质突触的等时发育。Wildenberg、Li、Sampathkumar、Sorokina 和 Kasthuri，Nature Communications，2023 年 12 月 4 日。

资金来源：美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会。

改编自阿贡国家实验室发表的克里斯汀·马利·迪恩（Kristen Mally Dean）的文章。