蝾螈可以再生他們的大腦，揭示大腦進化和再生的秘密

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破解軸心轉軸轉再生的謎團可以改善重傷的醫療。來源：維基共享資源

axolotl（Ambystoma mexicanum）是一種水生蝾螈，以其再生脊髓、心髒和四肢的能力而聞名。這些兩栖動物一生也很容易制造出新的神經元。1964年，研究人員觀察到，即使完全切除了很大一部分，成年軸突也可以再生大腦的一部分。但一項研究發現，軸突大腦再生重建原始組織結構的能力有限。

那麼，蝾螈在受傷後如何完美地再生他們的大腦呢？

作為一名研究細胞水準再生的研究人員，Ashley Maynard和他在蘇黎世聯邦理工學院的Treutlein實驗室和維也納分子病理學研究所的Tanaka實驗室的同僚想知道軸突是否能夠再生大腦中所有不同的細胞類型，包括連接配接一個大腦區域和另一個大腦區域的連接配接。在他們最近發表的研究中，他們建立了一個構成軸突大腦一部分的細胞地圖集，揭示了它再生的方式和跨物種的大腦進化。

為什麼要看細胞？

不同的細胞類型具有不同的功能。他們能夠專門扮演某些角色，因為他們各自表達不同的基因。了解大腦中有哪些類型的細胞以及它們的作用有助于澄清大腦如何工作的整體情況。它還允許研究人員對整個進化進行比較，并試圖找到跨物種的生物趨勢。

了解哪些細胞表達哪些基因的一種方法是使用一種稱為單細胞RNA測序（scRNA-seq）的技術。該工具允許研究人員計算特定樣本的每個細胞内的活性基因數量。這提供了每個細胞在收集時正在進行的活動的“快照”。

該工具有助于了解動物大腦中存在的細胞類型。科學家在魚類、爬行動物、小鼠甚至人類中使用了scRNA-seq。

單細胞RNA測序可以提供有關樣本中每個細胞的特定功能的資訊。

映射軸聲波特爾大腦

Ashley Maynard團隊決定專注于軸突的腦。在人類中，大腦最大的分裂，包含一個稱為新皮層的區域，在動物行為和認知中起着關鍵作用。在最近的進化過程中，與其他大腦區域相比，新皮層的體型大幅增長。同樣，構成腦全細胞的細胞類型高度多樣化，并随着時間的推移而變得複雜，使該地區成為一個有趣的研究領域。

他們使用scRNA-seq來識别構成軸突的不同類型的細胞，包括不同類型的神經元和祖細胞，或可以分裂成更多自身或變成其他細胞類型的細胞。他們确定了當祖細胞成為神經元時哪些基因是活躍的，并發現許多基因在成為成熟的神經元之前通過一種稱為神經母細胞的中間細胞類型——以前未知存在于軸突中。

然後，團隊通過去除其腦的一段來測試軸突再生。使用專門的scRNA-seq方法，能夠在受傷後1到12周的不同再生階段捕獲和測序所有新細胞。最終，他們發現所有被删除的細胞類型都已完全恢複。

團隊觀察到大腦再生分三個主要階段進行。第一階段從祖細胞數量的迅速增加開始，這些細胞的一小部分激活了傷口愈合過程。在第二階段，祖細胞開始分化為神經母細胞。最後，在第三階段，神經母細胞分化為最初丢失的相同類型的神經元。

令人驚訝的是，該團隊還觀察到，被切除的區域與大腦其他區域之間斷斷的神經元連接配接已經重新連接配接。這種重新布線表明再生區域也恢複了其原始功能。

Axolotls的再生能力一直是科學家着迷的來源。

兩栖動物和人類大腦

在進化謎題中添加兩栖動物可以讓研究人員推斷大腦及其細胞類型如何随着時間的推移而變化，以及再生背後的機制。

當研究團隊将軸突資料與其他物種進行比較時，他們發現其腦中的細胞與哺乳動物海馬體、參與記憶形成的大腦區域和嗅覺皮層（大腦中參與嗅覺）表現出很強的相似性。他們甚至發現一種軸突細胞類型與新皮層有一些相似之處，新皮層是大腦中以人類感覺、思想和空間推理而聞名的區域。這些相似性表明，大腦的這些區域可能在進化上是保守的，或者在進化過程中保持可比性，哺乳動物的新皮層在兩栖動物的腦中可能具有祖先細胞類型。

雖然他們的研究揭示了大腦再生的過程，包括涉及哪些基因以及細胞最終如何成為神經元，但研究團隊仍然不知道是什麼外部信号會引發這個過程。

該團隊不會獨自解決大腦進化的難題。哥倫比亞大學的Tosches實驗室探索了另一種蝾螈Pleurodeles waltl細胞類型的多樣性，而中國廣東醫學院的Fei實驗室和生命科學公司BGI的合作者探索了軸索洛特前腦細胞類型的空間排列。

識别軸突大腦中的所有細胞類型也有助于為再生醫學的創新研究鋪平道路。小鼠和人類的大腦在很大程度上已經失去了自我修複或再生的能力。嚴重腦損傷的醫療幹預目前側重于藥物和幹細胞療法，以促進或促進修複。檢查允許軸突細胞實作近乎完美的再生的基因和細胞類型可能是改善嚴重損傷治療和釋放人類再生潛力的關鍵。

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