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胚胎小鼠大腦皮層的共聚焦圖像。綠色：干細胞，紅色：中間祖細胞，白色：最終的神經元，藍色：細胞核。
為了構建新皮質——一個涉及更高認知功能的大腦區域，干細胞產生了數十億不同類型的神經元。在一項最新的科學研究中，來自瑞士、比利時和奧地利科學技術研究所（IST）的神經科學家們發現，隨著時間的推移，新皮質干細胞會經歷各種成熟狀態，每一種成熟狀態都會產生一種不同類型的神經元，且正確神經元類型的產生與特定的蛋白質復合物有關。相關論文發表在《科學》雜志。
新皮質以其深深的“溝壑”和“山脊”形成了我們對人腦的概念。大腦外層只有幾毫米厚，卻包含著超過150億個神經元，它們處理信息，以便我們有意識地體驗和感知世界。顯然，如果在胚胎的新皮質發育過程中出現任何差錯，就有可能引發與神經發育相關的功能障礙，包括自閉癥或精神分裂癥等精神疾病也有可能會發生。
然而，在發育過程中，神經干細胞是如何形成大腦皮層的，目前還不完全清楚。不過瑞士日內瓦大學的Denis Jabaudon、比利時列日大學的Laurent Nguyen與奧地利IST研究小組的Simon Hippenmeyer教授一起為解析這個問題邁出了重要一步：了解皮質干細胞如何產生大量不同類型和功能的神經元的，正是這些神經元構成了成年神經元的多樣性。
這項新的研究表明，發育中的神經干細胞在不同的時間點具有特定的基因表達（轉錄）程序。當干細胞依次經過不同的階段時，它們將這些轉錄的“指紋”傳遞給它們的子細胞，也就是產生的神經元。引人注目的是，在新皮質發育的不同階段，干細胞似乎具有不同的性質和基因表達：在早期階段，干細胞往往具有主要調控細胞內部過程的程序，如細胞周期控制。相反，在晚期，干細胞擁有的基因表達程序越來越需要外部信號，從而與環境相互作用。
研究人員懷疑，特定的調控蛋白可能參與控制不同基因表達程序的時間依賴性激活。他們發現了一種蛋白質復合物——多梳抑制復合物2（PRC2），它只在早期干細胞中高表達，而在晚期干細胞中不表達。
關于PRC2是否真的能調控干細胞的時間依賴性成熟， 研究人員設計了實驗來回答這個問題，他們通過使用遺傳學方法，成功地消除了發育過程中神經干細胞中PRC2的活性，結果證明他們的假設是正確的。
PRC2存在時正常的皮質發育（上圖）與PRC2缺失時不規則的皮質發育 （下圖）。不同的顏色代表不同的神經干細胞成熟階段，不同時間點產生的神經元類型也不同。沒有PRC2，干細胞成熟過快，因此產生的神經元數量太少，導致了小頭畸形。
分裂的祖細胞（紅色）產生子細胞（綠色）。
PRC2的失活產生了嚴重的后果——干細胞無法正常成熟。在缺乏PRC2的情況下，干細胞似乎成熟得太快，因此在錯誤的時間窗內產生了錯誤類型的神經元。更引人注目的是，產生的神經元總數也大幅減少，這導致了小型皮質的產生以及不正確的神經元細胞類型組成。
博士后學者Nicole Amberg說：“研究結果表明大腦發育非常敏感。我們現在對神經干細胞在皮質發育過程中如何產生正確類型和數量的神經元有了更清晰的認識，這有助于更好地理解人類大腦畸形和神經發育障礙的基本機制。”
科界原創
編譯：花花
審稿：阿淼