几个世纪以来，科学家一直将大脑视为单一的统一器官。但由斯坦福医学院主导的一项新研究表明，我们称之为大脑的结构实际上是两个各自独立演化了数亿年的不同器官。

这一发现推翻了主流的大脑发育模型。几十年来，研究人员一直认同这样一种理论：在发育早期存在一个单一的祖细胞，它分化出了整个大脑。

这一模型表明，大脑的所有部分都具有共同的发育起源。新的研究发现表明，人类大脑由两个古老的神经系统巧妙组合而成——一个是调节我们心跳、呼吸和其他功能的更原始部分，另一个则是让我们成为真正人类、能够进行诗歌创作、数学思考以及思考自身起源的部分。

这一发现可能有助于解释为什么科学家几十年来一直在实验室中难以培育出某些类型的脑细胞，并且它为研究影响脑干的毁灭性疾病（如脊髓性肌萎缩症和肌萎缩性侧索硬化症，也称为渐冻症）开辟了新途径。

“我们首次证明，大脑的前部与大脑的后部来自完全不同的祖细胞，”发育生物学副教授凯尔·洛（Kyle Loh）博士说。

“我们的发现意味着我们现在可以在培养皿中培育出大脑后部（后脑）的神经元并研究其功能。”该研究结果于9月18日发表在《自然·神经科学》杂志上。

洛是资深作者。研究生卡洛琳·邓德斯（Carolyn Dundes）和雷扬·乔海（Rayyan Jokhai）是该研究的共同第一作者。

成年人的大脑有三个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑负责高级思维——语言、意识和抽象推理。 *相比之下，位于颅骨后部、通常被称为脑干的后脑，控制着维持我们生存的基本、自动功能：呼吸、睡眠、调节心跳和饥饿感。

后脑神经元还控制着面部、舌头和喉部的肌肉，这些肌肉影响着说话和吞咽。尽管后脑至关重要，但科学家几十年来一直难以在实验室中产生人类后脑神经元。

这一空白阻碍了对影响脑干的毁灭性疾病（包括脊髓性肌萎缩症和肌萎缩性侧索硬化症）的研究。脊髓性肌萎缩症是1岁以下儿童死亡的主要遗传原因。

通常在40岁至70岁之间确诊的渐冻症会同时影响前脑和后脑。在这两种疾病中，某些后脑神经元逐渐停止工作，患者失去了吞咽能力，这可能在食物或液体吸入肺部时导致肺炎；最终，患者失去了呼吸能力。

研究人员的突破来自于对胚胎发育最初时刻的研究，这一阶段被称为原肠胚形成，此时身体首次成形。乔海和邓德斯发现，后脑遵循一条独立的祖细胞发育路径，它与产生前脑和中脑的路径是平行的，而不是从后者分化出来的。

研究人员是通过检查发育中的小鼠胚胎得知这一点的。他们鉴别出了两种不同的脑祖细胞。

其中一种表达一种名为Otx2的基因，注定要发育成前脑和中脑。另一种表达名为Gbx2的基因，致力于形成后脑。

他们发现这两群细胞从不重叠；从发育的最早阶段开始，它们就是互不相容的。然后，研究人员检查了这些细胞中的DNA包装或染色质。

染色质是细胞决定哪些基因可以轻松访问、哪些基因被捆绑在够不到的地方的一种方式。他们的发现令人震惊：前神经外胚层（未来的前脑和中脑）和后神经外胚层（未来的后脑）具有根本不同的染色质构型。

这些差异本质上将每个祖细胞锁定在其各自的命运中，就像在永不相交的平行轨道上的旅行者。“之前制造后脑神经元的尝试很可能是试图诱导前脑和中脑祖细胞变成后脑细胞，我们的研究表明这是不可能的，”乔海说。

这一发现解释了该领域几十年来所经历的挫折——科学家一直在试图将一种祖细胞变成它根本无法成为的另一种祖细胞。“在干细胞生物学中，人们总是执着于创造最终的细胞类型，比如神经元，”乔海说。

“但重要的是从胚胎发育的最早阶段开始。我们对这个早期时间点的仔细关注，使我们能够找到大脑发育中的这个根本分水岭。”

掌握了这些知识后，研究人员首次成功地在实验室中诱导人类多能干细胞（一种能够产生人体任何细胞的细胞）变成了功能性后脑运动神经元。

这些实验室培养的神经元表现出了真正的后脑细胞的所有特征：它们表现出被称为动作电位的电活动波，并制造出能够识别控制面部和吞咽肌肉的后脑节段的蛋白质。

最后，研究人员回顾了550万年的演化历程。他们在鸡、斑马鱼中，以及引人注目地在海肠（一种生活在大洋底部的微小生物，与人类共享一个遥远的共同祖先）中，都发现了相同的双起源大脑模式。

水母与人类在大约6.007亿年前分化，在其身体的两端有两个神经系统。“我们的研究表明，演化将两个现有的神经系统在空间上推到了一起，”洛说。

“将大脑作为一个器官可能会更有效，但我们依赖于这种将大脑制作成两个独立部分的原始方式。”“我对我们的发现感到惊讶，因为‘大脑’这个词暗示了一个可能具有单一起源的连续器官，”乔海说。

“但即使在5.03亿年前，就已经存在这些独立的神经系统，而现在它们几乎作为一个整体运作，这非常酷。”

这项研究对调查治疗脊髓性肌萎缩症、渐冻症和其他影响脑干的病症的疗法也有启示。到目前为止，研究这些疾病几乎是不可能的，因为科学家无法从活体患者那里获得脑干组织。 *在培养皿中培养这些神经元的能力为理解哪里出了问题开辟了新的可能性。甚至还有一个与肥胖治疗意想不到的联系：后脑包含调节饥饿感的回路——这正是司美格鲁肽等减肥药的工作原理。

研究人员希望扩展他们的研究，以确定脊髓的发育起源，并准确了解脊髓性肌萎缩症和渐冻症如何损害后脑神经元的功能。“现在我们有了一个模型来更好地理解这些毁灭性的疾病，并为它们开发再生疗法，”乔海说。

“这是脑研究中一个非常激动人心的新前沿。”

来自加州大学洛杉矶分校和加利福尼亚大学旧金山分校的研究人员为该研究做出了贡献。这项工作得到了美国国立卫生研究院（资助号DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790和F31DE031154）；国家科学基金会；加州再生医学研究所；脊髓性肌萎缩症基金会；斯坦福围产期及儿童健康研究所资助；斯坦福贝克曼和路德维希中心；西贝尔干细胞研究所；斯蒂因哈特-里德基金会资助；加兹比慈善基金会；霍华德·休斯医学研究所；帕卡德基金会；皮尤慈善信托基金；巴克斯特基金会；人类前沿科学计划；以及匿名的菲克尔、吉尔伯特和斯蒂因哈特-里德家族的支持。