高分辨率時空圖譜記錄大腦修復過程 讓蠑螈大腦再生的“關鍵群體”被鎖定

脊椎動物的大腦是一個重要而復雜的器官，控制著動物的行為、情感和記憶。人類大腦有860億個神經元。這些神經元彼此之間相互連接，賦予了大腦極強的創造能力。但美中不足的是，人類大腦尤為脆弱，在遭遇損傷后往往難以修復。

近日，國際學術期刊《科學》刊登了由杭州華大生命科學研究院、廣東省人民醫院、武漢大學等來自3個國家18家單位共同合作完成的研究成果——全球首個高分辨率蠑螈腦再生時空圖譜。

該研究找到了蠑螈腦再生過程中的關鍵神經干細胞亞群，揭秘了蠑螈大腦自行恢復的過程，為神經系統的再生醫學研究和治療提供了新的方向。

從蠑螈腦再生憧憬人類大腦的“超能力”

創傷性腦損傷又叫顱腦創傷，是導致人類死亡和殘疾的主要原因之一。在中國，每年約有10萬人因創傷性腦損傷而死亡、數十萬人因其而永久殘疾。造成創傷性腦損傷常見的原因是跌倒、交通事故等外力因素。根據損傷程度和部位的不同，創傷性腦損傷可以分為腦震蕩、腦挫裂傷等。

據悉，腦震蕩會引發暫時性的失憶、意識混亂等癥狀，但這些癥狀多數可自行恢復，不會造成腦組織結構的明顯損傷;而腦挫裂傷則會導致部分腦組織的壞死。

由于人腦神經元再生困難，損傷處會由膠質細胞填充并會導致鄰近腦組織的萎縮。遭受腦挫裂傷后，病人可能出現意識不清、煩躁不安等癥狀，其平衡力或協調性也可能出現障礙，思考能力、情緒控制、肢體活動、感官能力以及記憶力都可能受到損害。通常來說，腦挫裂傷需要通過相應的醫學手段進行治療，病人自行恢復的概率很低。

與人類不同，硬骨魚、蠑螈等低等脊椎動物具有強大的器官再生能力。其中，墨西哥鈍口螈作為蠑螈的一種，不僅能再生四肢、尾巴、眼睛、皮膚以及肝臟等器官，還可以再生大腦，因此被科學家們作為重要的模式生物來研究與再生有關的問題。從另一個角度講，相比于其他再生能力強的生物，如無脊椎動物渦蟲和魚類斑馬魚，墨西哥鈍口螈的進化地位較高，腦結構與人腦也有一定相似之處，是較為理想的研究對象。

論文共同通訊作者、杭州華大生命科學研究院顧穎博士表示：“蠑螈的基因編碼序列與人類極其相似。研究蠑螈腦再生的啟動機制，并發現其中的關鍵基因，或將為人類神經系統損傷和退行性疾病的恢復提供指導。”

干細胞狀態轉化或成腦損傷復原關鍵

本次研究中，研究團隊對人工培育的墨西哥鈍口螈腦中的皮層區域進行機械損傷手術，并對損傷后第2、5、10、15、20、30及60天的大腦樣本進行分析，完整記錄了蠑螈大腦從損傷到再生修復完成的過程，構建了蠑螈腦再生的高分辨率時空圖譜。

“目前，針對蠑螈腦損傷再生的研究主要集中在其端腦上。”論文第一作者、杭州華大生命科學研究院的魏小雨博士介紹道，研究團隊在蠑螈端腦一側切除了面積約0.25平方毫米的方形切口，以構建腦損傷模型。

值得注意的是，雖然蠑螈能存活10到15年，但是其并不能在整個生命周期內都進行再生。

以往的研究發現，蠑螈腦再生受到年齡因素在內的一些條件的約束。年幼的蠑螈再生速度快;年老的蠑螈再生速度慢，甚至會失去再生能力。一般認為，這與蠑螈腦中貯存的神經干細胞的數量與活力有關。

研究團隊利用具備超高精度和超大視野的華大時空組學技術(Stereo-seq)，繪制了墨西哥鈍口螈端腦發育及損傷修復過程中單細胞水平空間轉錄組圖譜，發現蠑螈大腦在損傷后30天內即可愈合，60天內組織結構完成再生，損傷側與未損傷側的細胞類型空間分布已無明顯差異。

時空數據結果顯示，上述傷口區域在損傷早期就出現了新的神經干細胞亞群。這群重要的細胞由損傷區域附近的其他神經干細胞亞群受到損傷刺激后轉化而來，并在后續的再生過程中新生出神經元，以填補損傷部位的神經元缺失。

通過對比蠑螈腦發育和再生過程的神經元，科研人員發現再生與發育過程中的神經元高度相似。這表明，腦損傷可能誘導了蠑螈神經干細胞狀態轉化。

“本研究中，研究團隊借助蠑螈腦發育時空圖譜，觀察到在蠑螈腦的發育過程中，各類神經元的分子特征以及空間分布動態變化，并發現蠑螈腦從青少年時期開始特化出具有空間區域特征的神經干細胞亞型。”顧穎解釋道。這些發現表明，在發育早期，神經干細胞的種類和功能較為均一;在發育后期，不同功能的神經干細胞亞群逐漸形成，這些不同功能的神經干細胞亞群可能在再生中發揮著不同的作用。

室管膜膠質細胞可生成成熟神經元

以往研究表明，蠑螈大腦中的室管膜膠質細胞相當于哺乳動物的神經干細胞，在腦再生中發揮著重要作用。目前，在蠑螈和魚類中只有少數室管膜膠質細胞激活和腦再生的信號通路被證實。

“相關通路對大腦發育也有調控作用，這提示大腦的再生可能與其發育有著相似之處。”魏小雨介紹說，“但這一再生過程的相關分子機制尚不明確。”

為此，研究團隊需要對蠑螈腦發育及再生過程中不同時間階段的細胞和分子功能進行更系統的表征，并解析發育及再生轉錄組學動態變化特征，以促進對大腦再生分子機制的理解。

“在蠑螈腦損傷后2天到15天，損傷位點附近的室管膜膠質細胞就已經在損傷刺激下被激活，轉變為激活態的神經祖細胞類群。”魏小雨表示，“這一群神經祖細胞參與了細胞增殖、細胞遷移和細胞外基質重塑等過程，經過細胞分裂填充傷口缺損區域，并逐步分化為成熟的神經元。”

在蠑螈腦損傷后的15天，研究團隊通過對連續多張端腦切片的分析發現，復原期間存在從激活的室管膜膠質細胞到中間祖細胞，再到未成熟神經元，直至成熟神經元的連續細胞轉變過程。

這一發現進一步揭示了關鍵神經干細胞亞群通過細胞譜系轉換，重構損傷神經元的過程。即干細胞通過增殖覆蓋傷口，同時轉換或分化為中間態和成熟的神經元，以重建損傷的腦組織。

“通過尋找促使神經元祖細胞激活并分化的關鍵基因，或可助力人類腦損傷再生治療。”顧穎表示，“在下一研究階段，團隊會更深入研究蠑螈腦再生的具體調控因素，為再生醫學基礎研究貢獻一份力量。”(洪恒飛 科技日報記者 江耘)

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