Science重磅封面：中國團隊發布全球首個腦再生圖譜！

作者：新智元 2022-09-04 19:22:46

人工智能新聞

若大腦100%被開發，「超體」或成為現實？近日，中國科學家創建了全球首個蠑螈腦再生時空圖譜，研究成果登上Science封面。

人類大腦真的僅能開發10%嗎？

電影「超體」中，女主Lucy誤打誤撞開發了100%的大腦潛能。

伴隨著身體的飛快進化，她掌握了越來越多的超能力：瞬間掌握外語，利用腦電波隔空移物，任意改變物體形態...

若想讓大腦神經元能夠不斷開發的一種可能便是我們的大腦細胞擁有再生能力。

目前，全球唯一能再生大腦的生物便是——又呆又萌的「神獸」蠑螈。

可是，人類能否實現大腦再生呢？

近日，華大生命科學研究院帶領的團隊完成了首個蠑螈腦再生時空圖譜，揭示了腦損傷如何自我愈合。

這是全球首個腦再生時空圖譜，研究成果已于9月2日登上Science封面。

首個腦再生時空圖譜

提到再生能力，蜥蜴再生尾巴已不足為奇。

此外，蝙蝠翅膀、斑馬魚心臟、鯊魚牙齒、海星四肢...都能夠再生。

唯獨生物「大腦」再生的能力讓科學家著迷。

這篇Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration便向我們介紹了蠑螈腦再生時空圖譜。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9444

而要研究大腦再生，就一定要找一種合適的模型來進行研究。

最后，研究團隊選擇的就是全球唯一能再生大腦的生物——墨西哥鈍口螈。

它是蠑螈的一種，也被稱作「六角恐龍」，除了能夠再生四肢、尾巴、眼睛、皮膚以及肝臟等器官之外，大腦也可以再生。

蠑螈端腦的發育與再生

這不正好能被科學家們拿來作為重要的模式生物來研究再生的相關難題嘛。

這里就不得不提到本次研究的關鍵技術——時空組學技術（Stereo-seq）了。

有了這項技術，科學家就可以在蠑螈腦發育的6個重要時期，拍攝能夠看清細胞分子變化狀態的照片，構成了蠑螈的腦發育時空圖譜。

腦再生需要以時間和區域特定的方式協調復雜的反應。確定參與這一過程的細胞類型和分子將促進科學家對大腦再生的理解。

然而，由于哺乳動物大腦的再生能力有限，以及在細胞和分子水平上對再生過程的機制了解不全面，這一領域的進展受到阻礙。而上面提到的墨西哥鈍口螈可以再生受損的附屬器官和多個內部器官，包括大腦。

因此，這種螈就成為了科學家研究大腦再生的理想模型。而想要了解大腦再生的機制，科學家還需要能夠實現大規模數據采集和分析的研究工具，以同時解碼復雜的細胞和分子反應。

首先，科學家認為，如果在研究中對大腦再生和發育過程進行比較，會有助于對大腦再生的性質提供全新的理解。

因此，研究團隊切除了軸突動物左端腦側腭區的一小部分，并收集了再生過程中多個階段的組織樣本。然后收集了軸突動物端腦在多個發育階段的組織樣本。

接著，研究人員使用高清晰度和大視野的Stereo-seq技術，從覆蓋軸尾蜥端腦兩個半球的切片中產生單細胞分辨率的空間轉錄組學數據。對細胞類型注釋、細胞空間組織、基因活動動態和細胞狀態轉換進行了分析，并與發育過程中的這些細胞屬性相比，對損傷誘導再生進行了機理研究。通過使用Stereo-seq，科學家生成了一組端腦切片的空間轉錄組數據，涵蓋了蠑螈的六個發育階段和七個損傷誘導再生階段。

單細胞分辨率的數據使研究人員能夠確定發育過程中存在的33種細胞類型和參與再生的28種細胞類型，包括不同類型的興奮性和抑制性神經元，以及幾種外胚層細胞亞型。

在發育方面，數據揭示了一種原始類型的上皮細胞，可能會產生三個亞群的成年上皮細胞，它們分布在腦室區的不同區域，具有不同的分子特征和潛在的功能。

在再生方面，研究團隊發現了一個上皮細胞亞群，可能起源于被損傷激活的本地常駐上皮細胞。然后，這部分細胞可能會增殖以覆蓋傷口區域，隨后通過向中間祖細胞、不成熟的神經元和最終成熟的神經元的狀態轉變來補充失去的神經元。

當比較軸突動物端腦在發育和再生之間的細胞和分子動態時，科學家發現損傷誘導的上皮細胞在其轉錄組狀態方面與發育期特異性上皮細胞相似。

同時，研究團隊還觀察到，軸突動物端腦的再生在分子級聯和潛在的細胞系轉換方面表現出與發育中類似的神經發生模式，這表明大腦再生部分地再現了發育過程。空間轉錄組數據突出了軸突動物端腦在發育和損傷引起的再生過程中的細胞和分子特征。對上皮細胞的激活和功能調控的進一步表征可能產生對改善哺乳動物大腦再生能力的見解。

研究團隊對四足動物端腦的單細胞空間轉錄組的研究，為發育、再生和進化腦生物學的進一步研究提供了有用的數據。