科學家在人腦中發現了一種神秘的新細胞

是什麽使我們的大腦與其他動物的大腦不同?

這是關於人類大腦最有趣的問題之一，也是神經科學家最難回答的問題之一。

自西班牙神經解剖學家Santiago Ramón y Cajal用圖畫說明神經元讓人得以行走、說話、思考和存在的方式，並因此獲得諾貝爾獎後，時間已經過去了一個多世紀。在過去的一百多年裡，現代神經科學並沒有在如何區別一種神經元和另一種神經元的問題上取得很大進展。當然，顯微鏡越來越好了，但是腦細胞仍是主要通過兩種勞動密集型的特點來定義的，即它們的外觀以及它們如何放電。

○Santiago Ramón y Cajal為神經元繪製的解剖圖。| 圖片來源：Wikipedia

這就是為什麽世界各地的神經科學家急於采取新的、更精巧的方式來表征神經元。測序技術可以揭示出有著完全相同DNA的細胞，是如何以獨特的方式啟動或關閉它們的基因的，並且這些方法逐漸揭示出，大腦是一個比Ramón y Cajal想象的更多樣、充滿了枝節與分支能量的森林。

發現新的腦細胞

在一篇剛發表於《自然-神經科學》雜誌上論文中，一個國際研究小組向世人介紹了一種新的神經元，目前人們暫且認為這種神經元只存在於人類的大腦中。這些密集的細胞叢有著長長的神經纖維（被稱為軸突），它們以一種獨特的方式填滿太空，就像是一朵凋落了花瓣的玫瑰，因此研究人員將其命名為“玫瑰果細胞（rosehip cell）”。正如論文中所描述的那樣，新發現的神經元或許能利用它們獨特的形狀來控制資訊在大腦不同區域間的流動。

美國艾倫腦科學研究所的Ed Lein是這項研究的主要作者之一，他說：“這些神經細胞對系統可以起到刹車的作用。”神經元有兩種基本類型——興奮性神經元和抑製性神經元，前者會將資訊發送給相鄰細胞，而後者則會減緩或者阻止興奮性神經元放電。玫瑰果細胞屬於後一種類型，而且從其生理結構看來，似乎是一種特別強大的電流阻礙物。

識別新細胞的兩種實驗路徑

這一發現是團隊努力的成果。Lein的研究小組從兩個捐獻的人類大腦中分離出冷凍的組織，他們採用的是大腦皮層最上層的切片，這是大腦最外層負責人類意識的區域，人類的大腦皮層面積與身體的比例遠高於其他動物。這是大腦中最複雜的部分，有人甚至認為這是自然界最複雜的結構。

研究人員將單個神經元的細胞核分離到一個微量滴定板上，每一個孔中放一個。然後，他們對每個神經元內的RNA進行測序。如果說DNA就像是汽車的設計圖紙，那麽RNA就像是零件清單。通過使用聚類算法，研究人員識別出了幾種獨特的基因表達模式，並將它們與16種不同的細胞類型相匹配，其中11種為抑製性神經元，1種興奮性神經元，以及4種非神經細胞。

在Lein的研究小組正耐心地將神經元擺放到微量滴定板的同時，他們在匈牙利塞格德大學Gábor Tamás實驗室的合作夥伴則在分析從經歷了腦部手術的患者身上提取的活體組織樣本。通過使用傳統的技術，比如用一種特殊染料填充細胞，觀察細胞的形狀，並記錄細胞對不同的電流刺激會作何反應，Tamás的小組識別出了一組自由伸展且連接良好的神經元——它們的分子標記與Lein小組的一種細胞類型完美匹配。當他們試圖在老鼠大腦的各種細胞內尋找類似的分子時，卻空手而歸。

幾年前，Tamás在參觀艾倫研究所時發現Lein的小組正與他研究同一種類型的人類腦細胞，但使用的卻是不同的技術。他們意識到彼此是在以完全不同的角度觀察同樣的細胞類型，於是決定一起合作。艾倫研究所的資深科學家Rebecca Hodge介紹說：“單獨來說，這些技術雖然都很強大，但只能給我們提供關於細胞行為的不完整影像。將二者結合，我們就能知道關於這些細胞的互補的資訊，這或許能告訴我們細胞在人腦中是如何發揮作用的。“

人類大腦中獨一無二的細胞？

玫瑰果細胞的獨特之處在於，它們只會附著在其他細胞的特定部位，這表明，它們處於抑製神經興奮傳遞的非常有利的位置，以一種特殊的方式控制資訊流動。

Tamás說，如果把抑製性神經元看作是汽車的刹車系統，那麽玫瑰果細胞會讓汽車停止在非常特定的地點。例如，它們是只能讓汽車在雜貨店門口停下的刹車系統，這樣特別的刹車系統可不是所有汽車（動物大腦）都有的。這種特殊的汽車（細胞類型）能夠在特定的地點停止，而其他汽車（老鼠腦細胞）則不能。“

Lein補充說：“現在說這是一種獨一無二的細胞類型還為時過早，因為我們還沒有對其他物種進行檢測。但是這無疑強調了一個事實，那就是我們需要慎重對待‘人類大腦不過是老鼠大腦的大尺度版本‘這樣的假定。”

Tamás說：“我們的很多器官可以用動物模型來模擬，但是將人類區別於其他動物的是我們大腦的能力和產出。這是人之所以成為人的原因。所以，人類是很難在動物系統中模擬的。”

這項研究還沒有證明這種特殊的腦細胞是人類獨有的。但是，老鼠大腦中並不存在這種細胞是件非常有趣的事。Tamás說，研究人員還不清楚這些細胞在人類大腦中有什麽作用，但是它們在老鼠體內的缺失表明，想要在實驗動物身上模擬人腦疾病是何等困難。Tamás小組下一步的工作，是在死亡的神經精神障礙患者的大腦標本中尋找玫瑰果神經元，以此來查看這種特殊的細胞在人類疾病中是否發生變化。

因為活體人腦組織是如此難以獲得，因此大部分描繪神經元的電生理機能和連接性的工作都是在老鼠身上進行的。然而，轉錄組（transcriptome，特定細胞中基因表達產生的所有RNA或信使RNA的總和）的方法可以應用於冷凍組織。在世界各地的生物庫中有很多這樣的冷凍組織。

分類細胞的龐大計劃

加州大學聖地亞哥分校的免疫學家Richard Scheuermann說：“未來五到十年左右時間裡將發生的事情是，由於有著遠高於傳統方法的產出，轉錄組的方法將會迅速發展。所以我們會以細胞基因表達產生的RNA為基礎來獲得這個圖譜，然後，當我們更加了解這些神經元的功能時，就可以將這些資訊連接回去。”

Scheuermann是最初提出所謂的細胞本體論（Cell Ontology）的構建者之一。細胞本體論為科學家如何表示不同細胞類型提供了一個參考，它不僅是一組通用的定義，還會捕捉細胞之間在時間、太空和功能上的關係。如今，科學家通過細胞啟動和關閉的基因來定義細胞，他則在努力為這個新的時代創立一部細胞的百科全書。

這項運動超越了神經科學。2016年10月，全世界數以百計的科學家聯合啟動人類細胞圖譜（Human Cell Atlas）項目。這是一個龐大的項目，其目標是編譯人體內所有細胞的轉錄組數據，以理解細胞會如何結合成組織、如何彼此交流、如何衰老、以及如何發生病變。

Scheuermann開發了能夠識別用於定義不同細胞類型的標記基因的軟體，另一個能夠自動將基因和其他數據翻譯為機器可讀的分類系統的工具。

Lein的腦細胞數據是該工具的第一個測試案例，兩個小組將結果發表於三月份的《人類分子遺傳學》。然而，一切才剛剛開始。他們已經向《自然》期刊提交了另一篇論文——僅僅利用細胞的轉錄組就定義了75種細胞類型。對於可能發現多少種細胞類型，神經科學家無法達成一致，但是即使不是數以萬計，也可能是數以千計吧。

編譯：鱷魚

參考來源：

http://www.sciencemag.org/news/2018/08/mysterious-new-brain-cell-found-people

https://www.wired.com/story/meet-the-rosehip-cell-a-new-kind-of-neuron/

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180827180809.htm