演化解鎖複雜性:靈長類大腦發育的細胞架構與調控機制

最近針對靈長類動物的神經生物學研究,揭示了皮層結構形成背後的精細機制,特別是負責神經元生成的區域。在外側腦室下區(OSVZ)在這些過程中扮演核心角色,它在靈長類動物中是皮層上層細胞的主要來源。這與囓齒動物觀察到的機制截然不同,囓齒動物的神經元生成主要發生在標準腦室下區(SVZ)。深入理解這些物種間的差異,有助於我們闡明神經系統發展的各種演化軌跡,為大腦複雜性的起源提供了線索。

決定大腦架構的關鍵因素之一,是細胞週期中G1期的持續時間。在靈長類動物中,較長的G1期促進了祖細胞在分化前進行更多次的增殖分裂。這種時間上的延長,極大地增加了最終神經元的產量,進而促成了更為複雜且具有迴旋結構的大腦皮層。G1期的拉長為外部因子提供了更多的機會,來調節最終的細胞產物,因為細胞通常在此階段積極生長並合成必要的RNA和蛋白質,為後續的細胞命運奠定基礎。

導致當前複雜結構的演化歷程,是以特定的基因轉變為標誌。ARHGAP11B基因被公認為是促進祖細胞生長的催化劑,這與靈長類皮層特有的複雜褶皺結構直接相關。將此人類基因實驗性地引入狨猴胚胎中,證實了它的核心作用:它導致新皮層的尺寸顯著增加,且其圖案複雜性也隨之提升。另一個促成複雜化的關鍵是人類獨有的NOTCH2NL基因家族,它能夠延遲神經元生成的起始時間,使祖細胞得以更長時間地保持自我更新的能力,進一步擴大神經元庫。

理解這些在人類近親身上發生的基礎發育機制,為我們理解人類大腦的演化軌跡提供了無價的背景資訊。這些知識成為研究人類特有的神經系統疾病,以及開發矯正皮層缺陷新方法的基石。深入探究細胞過程的根本原因,開啟了在更精細層次上協調和修復結構的潛力,將遺傳變異(例如ARHGAP11B對放射狀膠質細胞增殖的影響)與人類獨特的認知現實緊密連結,為未來神經科學的發展指明方向。

來源

  • Nature

  • G1 phase regulation, area-specific cell cycle control, and cytoarchitectonics in the primate cortex

  • Molecular and cellular evolution of corticogenesis in amniotes

  • Evolution of genetic mechanisms regulating cortical neurogenesis

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