百年争論：腦細胞是否用一個少一個？Cell巧用“核爆碳”驗證

導語：人體是大自然的傑作，其結構的精妙堪稱無與倫比。整體而言，人體是龐大而複雜的循環系統，通過周而複始的更新維持系統的穩定運轉。

據統計，每人每日約産生0.7×109個皮膚表皮細胞，4. 9×1010個骨髓細胞，5.6×109個腸粘膜細胞[1]。人體器官細胞皆有更新周期，但大腦是例外。學術界普遍認為，自出生之後，人類大腦中的神經細胞數量是固定的，這些細胞随着年齡的增長而逐漸退化和死亡，并且無以替代，是以人類不可避免地面臨着認知能力下降和記憶衰退的問題。然而，針對大腦不可制造神經元這一結論，有學者持相反意見，這種争論也已持續百年，甚至使用核爆碳試驗，但至今仍沒有達成共識。讓我們一起沿着曆史研究，縱觀腦神經發生研究的“頭腦風暴”。

活體大腦的科研“禁區”研究

發現新生神經元

1928年，被譽為“現代神經科學先驅”的Santiago Ramóny Cajal宣稱，人類成年後，大腦永遠不會形成新的神經元。在接下來的幾十年間，這一結論成為了學界的主流觀點。1998年，美國索爾克生物研究所研究團隊在Nature Medicine發表題為“Neurogenesis in the adult human hippocampus”的研究，發現大腦中形成了新的神經元，反駁了先前的主流觀點（圖1）[2]。

圖1 研究成果（圖源：Nature Medicine）

在此項研究中，研究人員通過采集5名生前接受BrdU（Bromodeoxyuridine）靜脈注射的成年遺體捐獻者的大腦樣本，分析成人大腦海馬體中是否産生新神經元。BrdU與核苷類似，可以在細胞分裂時被細胞攝入，參與組成新細胞的DNA，是以被用于“追蹤”新細胞的産生。結果在5名遺體捐獻者的大腦海馬體的齒狀回區域都發現了BrdU，表明大腦中形成了新的神經元。

此項研究結果有悖于主流認知，有專家表示此次檢測的并非全是神經元，極有可能混入了其他可再生細胞。然而，礙于活體注射BrdU試驗因倫理被禁止，無法對研究結果進行重制，但卻激發了科研人員對人腦神經發生研究的熱情。

用核爆試驗的殘留物研究

腦神經，預估神經元更新

2013年，瑞典卡洛琳絲卡醫學院研究團隊在Cell發表題為“Dynamics of Hippocampal Neurogenesis in Adult Humans”的研究結果（圖2）[3]。研究發現人類成年後，大腦海馬體齒狀回區域的神經元仍然在不斷更新。

圖2 研究成果（圖源：Cell）

此項研究的原理與BrdU标記類似，都是引入新生細胞“标記物”，以此證明大腦中新神經元的産生。隻不過，此次試驗利用了1945-1963年期間的地表核爆試驗副産物--放射性碳同位素碳14（圖3）。大氣中碳14的濃度在核爆後增加了1倍多，并随着食物鍊進入人體，參與人體細胞分裂，進入DNA中，成為新生細胞的“年齡标志”。

圖3 核爆試驗現場（圖源：企鵝号）

研究人員通過質譜儀分析遺體捐獻者大腦不同區域神經元中碳14的含量，并對比曆史上大氣碳14濃度的變化，判斷這些細胞中是否有新生細胞加入。通過對比不同出生日期的捐贈者神經元“更新”的比例，研究人員發現人類成年後，大腦海馬體齒狀回區域的神經元仍然在不斷更新，每天大概會産生1400個神經元。

Nature和Cell的研究結果

互相沖突，仍無定論

2018年，加利福尼亞大學再生醫學和幹細胞研究中心研究團隊在Nature發表題為“Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults”的研究成果（圖4）[4]。結果發現海馬體中的新生神經元數量會在出生後開始減少，并在成年期幾乎降至為零。

圖4 研究成果（圖源：Nature）

本次研究了59份年齡範圍從胎兒到70多歲成人的海馬樣本，其中37份樣本來自不同年齡段、因不同原因死亡的捐贈者，另外22份樣本則來自接受腦部病變摘除手術的癫痫患者。研究發現：

1.在胎兒和新生兒樣本的齒狀回區域内發現了大量的新生神經元；

2. 1歲左右的嬰兒新神經元數量比新生嬰兒少5倍，這種下降會持續到兒童期；

3. 相比于1歲嬰兒，7歲兒童樣本内的新增神經元數量下降了23倍；

4. 相比于1歲嬰兒，13歲少年樣本内的新增神經元數量下降了28倍，且比在年輕大腦樣本中看到的要更為成熟；

5. 在成人樣本中沒有發現任何新生神經元。

這一結果，與之前發現成人大腦存在新生神經元的結果大相徑庭，許多科學家提出了質疑。主要有以下幾點疑問：

1. 此項研究樣本為個體死亡後48小時内收集到的大腦，而标記分子能否可靠地對新生神經元進行标記，很大程度上取決于生物組織的品質，而組織的品質又受到死亡之後樣本防腐爛處理速度的影響；

2. 用于儲存和穩定組織樣本的化學物質有可能進一步阻礙标記分子與靶細胞結合，标記分子很難正常運作；

3. 捐贈者身心狀态、運動、壓力和疾病等因素會影響海馬的新生神經元數量。

僅僅一個月後，Cell Stem Cell發表題為“Human Hippocampal Neurogenesis Persists throughout Aging”的研究成果。首次證明，健康的老年男性和女性能與年輕人産生一樣多的新腦細胞。（圖5）[5]。此項研究具體内容詳見往期文章：駁斥Nature！Cell子刊：老年人可産生“新腦細胞”，且和年輕人一樣

圖5 研究成果（圖源：Cell Stem Cell）

2022年2月，Cell Press Neuron發表題為“Transcriptomic taxonomy and neurogenic trajectories of adult human, macaque, and pig hippocampal and entorhinal cells”的研究成果（圖6）[6]。研究發現在海馬體的齒狀回區域未發現新生神經元。

圖6 研究成果（圖源：Cell Press Neuron）

此項研究以6份來自成年遺體捐獻者的大腦組織為樣本，通過檢測一般隻會出現在未成熟的神經元中的DCX（Doublecortin）并進一步利用核RNA來測量神經元的年齡，探索成人大腦是否會生成新的神經元。結果發現隻有0.003%的核RNA顯示它們可能是新産生的神經元。

針對于出現與之前研究相悖的結論，研究人員Jon Arellano表示：“此前研究者用來識别DCX的方法可能存在問題，會得到‘假陽性’的結果，是以此前結果并不可信。”然而，瑞士蘇黎世大學Bastian Jessberg提出質疑：“這篇論文顯示缺乏證據證明神經發生，但不能證明神經發生不存在。我們已經找到大量關于人類海馬體存在神經發生的積極證據。如果認為單核RNA測序是‘唯一的絕對真理’，那将是一種科學誤解。”

為人體“紫禁城”繪制“地圖”

谷歌助力神經發生研究

一般而言，哺乳動物成年後神經發生主要集中在兩個區域：負責學習和記憶的海馬體和負責嗅覺的嗅球（圖7），神經發生的研究也主要針對這個區域。大腦素有人體“紫禁城”之稱，“紫禁城”内的神經系統擁有數量巨大的神經元，具有複雜的網絡結構，神經元之間的連接配接也更趨複雜和多樣，這無疑為神經發生研究帶來巨大挑戰。

圖7 海馬區的神經元（紅色）（圖源：Thomas Deerinck）

神經元地圖的繪制有助于了解大腦神經元的活動、存亡等。然而，神經中繼資料量太大，可能達到ZB級，這相當于當今整個世界存儲内容的很大一部分，是以，仍處于探索階段。2019年，谷歌首次成功重建了果蠅大腦神經元的3D模型。2020年，谷歌公布了果蠅半腦連接配接組。2021年，谷歌聯手哈佛釋出H01人腦成像資料集，該資料集涉及1.3億個突觸，數萬個神經元，為史上最大樣本（圖8）[7]！此次采集資料僅占人類大腦的百萬分之一，對但腦神經元進行描述和記載的資料卻高達1.4PB，包括了神經細胞、血管等顔色鮮豔的顯微鏡圖像（圖9）。

圖8 研究成果（圖源：BioRxiv）

圖9 谷歌編譯1立方毫米人類大腦皮層的神經元連接配接圖（圖源：[5]）

谷歌釋出的神經元地圖，可通過Neuroglencer通路。不同的生物體通常在很多方面差異很大，科學家需要确認分類才能得出結論。大規模連接配接組學可以為神經科學的發展提供空前的動力，其作用堪比快速、簡單的基因組測序技術對基因組學的推動作用。神經元是否可以新生也有望通過連接配接組學技術得到推動，相信不久的将來，這一百年争論會有答案。

題圖來源：Nuwan Hettige，僅用于學術交流。

撰文|文競擇

排版|木子久

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參考資料：

[1]朱壬葆.電離輻射對細胞更新系統的影響[J].國外醫學(放射醫學分冊),1980(01):25-27.

[2]Eriksson PS, Perfilieva E, Bj rk-Eriksson T, et al. Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat Med. 1998 Nov;4(11):1313-7. doi: 10.1038/3305. PMID: 9809557.

[3]Spalding KL, Bergmann O, Alkass K, et al. Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans. Cell. 2013 Jun 6;153(6):1219-1227. doi: 10.1016/j.cell.2013.05.002. PMID: 23746839; PMCID: PMC4394608.

[4]Sorrells SF, Paredes MF, Cebrian-Silla A, et al. Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults. Nature. 2018 Mar 15;555(7696):377-381. doi: 10.1038/nature25975. Epub 2018 Mar 7. PMID: 29513649; PMCID: PMC6179355.

[5]Boldrini M, Fulmore CA, Tartt AN, et al. Human Hippocampal Neurogenesis Persists throughout Aging. Cell Stem Cell. 2018 Apr 5;22(4):589-599.e5. doi: 10.1016/j.stem.2018.03.015. PMID: 29625071; PMCID: PMC5957089.

[6]Franjic D, Skarica M, Ma S, et al. Transcriptomic taxonomy and neurogenic trajectories of adult human, macaque, and pig hippocampal and entorhinal cells. Neuron. 2022 Feb 2;110(3):452-469.e14. doi: 10.1016/j.neuron.2021.10.036. Epub 2021 Nov 18. PMID: 34798047; PMCID: PMC8813897.

[7]Alexander Shapson-Coe, Micha Januszewski, Daniel R. Berger, et al. A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex. bioRxiv 2021.05.29.446289; doi: https://doi.org/10.1101/2021.05.29.446289

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