百年争论：脑细胞是否用一个少一个？Cell巧用“核爆碳”验证
来源：生物探索 2022-05-07 13:41
我们已经找到大量关于人类海马体存在神经发生的积极证据。如果认为单核RNA测序是‘唯一的绝对真理’，那将是一种科学误解。
据统计，每人每日约产生0.7×109个皮肤表皮细胞，4. 9×1010个骨髓细胞，5.6×109个肠粘膜细胞[1]。人体器官细胞皆有更新周期，但大脑是例外。学术界普遍认为，自出生之后，人类大脑中的神经细胞数量是固定的，这些细胞随着年龄的增长而逐步退化和死亡，并且无以替代，所以人类不可避免地面临着认知能力下降和记忆衰退的问题。然而，针对大脑不可制造神经元这一结论，有学者持相反意见，这种争论也已持续百年，甚至使用核爆碳试验，但至今仍没有达成共识。让我们一起沿着历史研究，纵观脑神经发生研究的“头脑风暴”。
1928年，被誉为“现代神经科学先驱”的Santiago Ramóny Cajal宣称，人类成年后，大脑永远不会形成新的神经元。在接下来的几十年间，这一结论成为了学界的主流观点。1998年，美国索尔克生物研究所研究团队在Nature Medicine发表题为“Neurogenesis in the adult human hippocampus”的研究，发现大脑中形成了新的神经元，反驳了先前的主流观点（图1）[2]。
图1 研究成果（图源：Nature Medicine）
在此项研究中，研究人员通过采集5名生前接受BrdU（Bromodeoxyuridine）静脉注射的成年遗体捐献者的大脑样本，分析成人大脑海马体中是否产生新神经元。BrdU与核苷类似，可以在细胞分裂时被细胞摄入，参与组成新细胞的DNA，因此被用于“追踪”新细胞的产生。结果在5名遗体捐献者的大脑海马体的齿状回区域都发现了BrdU，表明大脑中形成了新的神经元。
此项研究结果有悖于主流认知，有专家表示此次检测的并非全是神经元，极有可能混入了其他可再生细胞。然而，碍于活体注射BrdU试验因伦理被禁止，无法对研究结果进行重现，但却激发了科研人员对人脑神经发生研究的热情。
2013年，瑞典卡洛琳丝卡医学院研究团队在Cell发表题为“Dynamics of Hippocampal Neurogenesis in Adult Humans”的研究结果（图2）[3]。研究发现人类成年后，大脑海马体齿状回区域的神经元仍然在不断更新。
此项研究的原理与BrdU标记类似，都是引入新生细胞“标记物”，以此证明大脑中新神经元的产生。只不过，此次试验利用了1945-1963年期间的地表核爆试验副产物--放射性碳同位素碳14（图3）。大气中碳14的浓度在核爆后增加了1倍多，并随着食物链进入人体，参与人体细胞分裂，进入DNA中，成为新生细胞的“年龄标志”。
研究人员通过质谱仪分析遗体捐献者大脑不同区域神经元中碳14的含量，并对比历史上大气碳14浓度的变化，判断这些细胞中是否有新生细胞加入。通过对比不同出生日期的捐赠者神经元“更新”的比例，研究人员发现人类成年后，大脑海马体齿状回区域的神经元仍然在不断更新，每天大概会产生1400个神经元。
2018年，加利福尼亚大学再生医学和干细胞研究中心研究团队在Nature发表题为“Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults”的研究成果（图4）[4]。结果发现海马体中的新生神经元数量会在出生后开始减少，并在成年期几乎降至为零。
本次研究了59份年龄范围从胎儿到70多岁成人的海马样本，其中37份样本来自不同年龄段、因不同原因死亡的捐赠者，另外22份样本则来自接受脑部病变摘除手术的癫痫患者。研究发现：
1. 在胎儿和新生儿样本的齿状回区域内发现了大量的新生神经元；
2. 1岁左右的婴儿新神经元数量比新生婴儿少5倍，这种下降会持续到儿童期；
3. 相比于1岁婴儿，7岁儿童样本内的新增神经元数量下降了23倍；
4. 相比于1岁婴儿，13岁少年样本内的新增神经元数量下降了28倍，且比在年轻大脑样本中看到的要更为成熟；
这一结果，与之前发现成人大脑存在新生神经元的结果大相径庭，许多科学家提出了质疑。主要有以下几点疑问：
1. 此项研究样本为个体死亡后48小时内收集到的大脑，而标记分子能否可靠地对新生神经元进行标记，很大程度上取决于生物组织的质量，而组织的质量又受到死亡之后样本防腐烂处理速度的影响；
2. 用于保存和稳定组织样本的化学物质有可能进一步阻碍标记分子与靶细胞结合，标记分子很难正常运作；
3. 捐赠者身心状态、运动、压力和疾病等因素会影响海马的新生神经元数量。
图5 研究成果（图源：Cell Stem Cell）
2022年2月，Cell Press Neuron发表题为“Transcriptomic taxonomy and neurogenic trajectories of adult human, macaque, and pig hippocampal and entorhinal cells”的研究成果（图6）[6]。研究发现在海马体的齿状回区域未发现新生神经元。
图6 研究成果（图源：Cell Press Neuron）
此项研究以6份来自成年遗体捐献者的大脑组织为样本，通过检测一般只会出现在未成熟的神经元中的DCX（Doublecortin）并进一步利用核RNA来测量神经元的年龄，探索成人大脑是否会生成新的神经元。结果发现只有0.003%的核RNA显示它们可能是新产生的神经元。
针对于出现与之前研究相悖的结论，研究人员Jon Arellano表示：“此前研究者用来识别DCX的方法可能存在问题，会得到‘假阳性’的结果，因此此前结果并不可信。”然而，瑞士苏黎世大学Bastian Jessberg提出质疑：“这篇论文显示缺乏证据证明神经发生，但不能证明神经发生不存在。我们已经找到大量关于人类海马体存在神经发生的积极证据。如果认为单核RNA测序是‘唯一的绝对真理’，那将是一种科学误解。”
一般而言，哺乳动物成年后神经发生主要集中在两个区域：负责学习和记忆的海马体和负责嗅觉的嗅球（图7），神经发生的研究也主要针对这个区域。大脑素有人体“紫禁城”之称，“紫禁城”内的神经系统拥有数量巨大的神经元，具有复杂的网络结构，神经元之间的连接也更趋复杂和多样，这无疑为神经发生研究带来巨大挑战。
图7 海马区的神经元（红色）（图源：Thomas Deerinck）
神经元地图的绘制有助于了解大脑神经元的活动、存亡等。然而，神经元数据量太大，可能达到ZB级，这相当于当今整个世界存储内容的很大一部分，因此，仍处于探索阶段。2019年，谷歌首次成功重建了果蝇大脑神经元的3D模型。2020年，谷歌公布了果蝇半脑连接组。2021年，谷歌联手哈佛发布H01人脑成像数据集，该数据集涉及1.3亿个突触，数万个神经元，为史上最大样本（图8）[7]！此次采集数据仅占人类大脑的百万分之一，对但脑神经元进行描述和记载的数据却高达1.4PB，包括了神经细胞、血管等颜色鲜艳的显微镜图像（图9）。
图9 谷歌编译1立方毫米人类大脑皮层的神经元连接图（图源：[5]）
谷歌发布的神经元地图，可通过Neuroglencer访问。不同的生物体通常在很多方面差异很大，科学家需要确认分类才能得出结论。大规模连接组学可以为神经科学的发展提供空前的动力，其作用堪比快速、简单的基因组测序技术对基因组学的推动作用。神经元是否可以新生也有望通过连接组学技术得到推动，相信不久的将来，这一百年争论会有答案。
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