Science重磅封面：中國團隊發布全球首個腦再生圖譜！

人類大腦真的只能開發10%嗎？

電影「超體」中，女主角Lucy誤撞誤撞開發了100%的大腦潛能。

伴隨著身體的快速進化，她掌握了越來越多的超能力：瞬間掌握外語，利用腦波隔空移物，任意改變物體形態...

#若想讓大腦神經元能夠持續開發的一種可能便是我們的腦細胞擁有再生能力。

目前，全球唯一能再生大腦的生物便是－又呆又萌的「神獸」蠑螈。

可是，人類能否實現大腦再生呢？

近日，華大生命科學研究院帶領的團隊完成了首個蠑螈腦再生時空圖譜，揭示了腦損傷如何自我癒合。

這是全球首個腦再生時空圖譜，研究成果已於9月2日登上Science封面。

首腦再生時空圖譜

提到再生能力，蜥蜴再生尾巴已不足為奇奇。

此外，蝙蝠翅膀、斑馬魚心臟、鯊魚牙齒、海星四肢...都能夠再生。

唯獨生物「腦」再生的能力讓科學家著迷。

這篇Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration便向我們介紹了蠑螈腦再生時空圖譜。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9444

而要研究大腦再生，就一定要找一個合適的模型來進行研究。

最後，研究團隊選擇的是全球唯一能再生大腦的生物—墨西哥鈍口蠑螈。

它是蠑螈的一種，也被稱為「六角恐龍」，除了能夠再生四肢、尾巴、眼睛、皮膚以及肝臟等器官之外，大腦也可以再生。

蠑螈端腦的發育與再生

這不正好能被科學家拿來當重要的模式生物來研究再生的相關難題嘛。

這裡就不得不提到本研究的關鍵技術－時空組學技術（Stereo-seq）了。

有了這項技術，科學家就可以在蠑螈腦發育的6個重要時期，拍攝能夠看清細胞分子變化狀態的照片，構成了蠑螈的腦發育時空圖。

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腦再生需要以時間和區域特定的方式協調複雜的反應。確定參與此過程的細胞類型和分子將促進科學家對大腦再生的理解。

然而，由於哺乳動物大腦的再生能力有限，以及在細胞和分子層面上對再生過程的機制了解不全面，這一領域的進展受到阻礙。而上述的墨西哥鈍口蠑螈可以再生受損的附屬器官和多個內部器官，包括大腦。

因此，這種蠑螈就成為了科學家研究大腦再生的理想模型。而想要了解大腦再生的機制，科學家還需要能夠實現大規模資料收集和分析的研究工具，以同時解碼複雜的細胞和分子反應。

首先，科學家認為，如果在研究中對大腦再生和發育過程進行比較，有助於對大腦再生的性質提供全新的理解。

因此，研究團隊切除了軸突動物左端腦側腭區的一小部分，並收集了再生過程中多個階段的組織樣本。然後收集了軸突動物端腦在多個發育階段的組織樣本。

接著，研究人員使用高清晰度和大視野的Stereo-seq技術，從覆蓋軸尾蜥端腦兩個半球的切片中產生單細胞解析度的空間轉錄組學資料。對細胞類型註釋、細胞空間組織、基因活動動態和細胞狀態轉換進行了分析，並與發育過程中的這些細胞屬性相比，對損傷誘導再生進行了機制研究。透過使用Stereo-seq，科學家產生了一組端腦切片的空間轉錄組數據，涵蓋了蠑螈的六個發育階段和七個損傷誘導再生階段。

單細胞分辨率的數據使研究人員能夠確定發育過程中存在的33種細胞類型和參與再生的28種細胞類型，包括不同類型的興奮性和抑制性神經元，以及幾種外胚層細胞亞型。

在發育方面，數據揭示了一種原始類型的上皮細胞，可能會產生三個亞群的成年上皮細胞，它們分佈在腦室區的不同區域，具有不同的分子特徵和潛在的功能。

在再生方面，研究團隊發現了一個上皮細胞亞群，可能起源於被損傷激活的本地常駐上皮細胞。然後，這部分細胞可能會增殖以覆蓋傷口區域，隨後透過向中間祖細胞、不成熟的神經元和最終成熟的神經元的狀態轉變來補充失去的神經元。

當比較軸突動物端腦在發育和再生之間的細胞和分子動態時，科學家發現損傷誘導的上皮細胞在其轉錄組狀態方面與發育期特異性上皮細胞相似。

同時，研究團隊也觀察到，軸突動物端腦的再生在分子級聯和潛在的細胞系轉換方面表現出與發育中類似的神經發生模式，這表明大腦再生部分地再現了發育過程。空間轉錄組數據突顯了軸突動物端腦在發育和損傷引起的再生過程中的細胞和分子特徵。上皮細胞的活化和功能調控的進一步表徵可能產生對改善哺乳動物大腦再生能力的見解。

研究團隊對四足動物端腦的單細胞空間轉錄組的研究，為發育、再生和進化腦生物學的進一步研究提供了有用的數據。

腦再生成為現實？

要知道，人類大腦有860億個神經元，它們之間相互連結。

論文共同通訊作者、BGI-Research副主任Yin Gu博士表示，

利用蠑螈作為模型生物，我們已經確定了大腦再生過程中的關鍵細胞類型。這項發現將為哺乳動物神經系統的再生醫學提供新的思路和指導。

因此，中樞神經系統再生醫學的一個主要目標不僅是重建神經元的空間結構，而且重建其組織內連接的特定模式。

在未來的研究中，重建大腦的3D結構，了解大腦各區域在再生過程中的系統性反應是很重要的。

長久以來，科學家一直夢想透過繪製完整的大腦神經網路的結構，以了解神經系統是如何運作的。

就如Google在2019年便首次重建了果蠅大腦神經元的3D模型，緊接著第二年公佈了果蠅「半腦」連接組。

如今，他們已經發布了關於人腦影像資料集。

透過這個資料集，人們便可以看到1.3億個突觸，數萬個神經元的樣本，能夠幫助人們理解大腦的3D結構。

除了蠑螈，科學家利用時空組學技術已經首次繪製了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥4種模式生物胚胎發育或器官的時空圖譜。

目前，研究成果已在Cell及其子刊Developmental Cell發表。

對於腦再生這項研究，網友們對此未來的發展持有樂觀的態度。

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