一项比较神经发育研究表明，细胞时间机制决定了哺乳动物大脑皮层的独特结构比例。该研究证明，不同物种之间皮层厚度的差异是由早期胚胎发育过程中神经前体细胞的特定"衰老速率"所驱动的。
通过比较进化上的近亲——大鼠和小鼠的大脑，研究人员发现Wnt信号通路分子的持续表达延迟了关键的细胞生产转换，使大鼠产生异常大量的深层神经元，为了解哺乳动物大脑进化和再生医学提供了新见解。
关键事实
皮层结构蓝图：哺乳动物大脑的外层区域——皮层——具有高度有序、分层分布的特化神经元，从小老鼠到大象，这一结构在不同物种间保持惊人的稳定性。然而，这些细胞层的确切比例在不同物种间差异巨大。
大鼠的特殊性：研究人员首先评估大鼠皮层时发现，与其他七种被调查的哺乳动物（包括小鼠）相比，大鼠的深层皮层相对于上层皮层显著更大。
神经元数量而非面积：对亲缘关系相近的小鼠和大鼠进行的详细显微审计表明，大鼠扩大的深层皮层明确是由深层神经元的绝对数量增加所致，而非物理层面积的扩张。
延迟的前体细胞转换：通过先进的细胞标记技术追踪胚胎干细胞，研究人员发现了不同的生产窗口。虽然小鼠神经前体细胞仅在生产深层神经元一到两天后就永久切换至上层神经元生产，但大鼠前体细胞在转换前会持续产生深层神经元约四天。
Wnt信号节律：这一延长的发育窗口受Wnt信号通路调控——这一关键分子通路决定了皮层发育的节奏。胚胎大鼠大脑表现出Wnt信号基因的持续表达，有效地减缓了前体细胞的"衰老速率"，延长深层神经元的生产期。
医学应用前景：资深作者Ikuo Suzuki指出，揭示相关物种如何发展出不同脑结构的机制，推进了对人类大脑进化的基础理解。这些进化见解为解码人类发育和神经障碍的根本机制提供了关键数据，未来有望在再生组织医学领域带来应用。
来源：大阪大学
大脑的外层区域——皮层——具有特定类型的神经元分层分布，这种结构在所有哺乳动物中都保持着相似的秩序，从微小的老鼠大脑到庞大的大象大脑。然而，不同物种间各种细胞层的比例差异很大，关于这种变异如何以及为何发生，人们知之甚少。
现在，大阪大学的研究人员通过深入研究发育中的脑细胞，提出这些差异与早期发育过程中大脑特定信号的时间有关。这些发现已发表在《EMBO杂志》上。
研究团队首先专注于大鼠皮层，注意到与其他七种哺乳动物（包括小鼠）相比，大鼠的深层皮层（相对于上层皮层）要大得多。
在这一初步发现之后，研究人员更详细地比较了大鼠与它们最近的进化近亲——小鼠的大脑。随后的研究报告指出，这种差异是由于存在更多的深层神经元，而不仅仅是因为层面积更大。
"我们接下来想了解这种深层神经元数量差异是如何产生的，"该研究的主要作者Yuki Yamauchi说，"通过在大鼠和小鼠中使用细胞标记技术，我们发现大鼠的神经前体细胞产生了更多的深层神经元。"
神经前体细胞是一种在大脑发育过程中产生神经元的干细胞类型。为了了解为什么大鼠大脑在早期发育中会产生更多深层神经元，研究人员评估了小鼠和大鼠上层和深层神经元生产的时间。
有趣的是，小鼠在前体细胞切换至上层神经元生产前仅生产深层神经元一到两天，而大鼠则在做出这种转换前持续生产深层神经元约四天。
大鼠和小鼠之间的这种差异可能是由Wnt信号通路中分子表达时间的不同所导致的，这一过程已知对调节皮层发育时间至关重要。Wnt糖蛋白对执行各种细胞过程至关重要，大鼠表现出Wnt信号基因的持续表达，导致深层神经元生产的延长。
"除了突出大鼠相对于其他哺乳动物的特殊皮层结构外，我们还证明了这种变异源于神经前体细胞不同的'衰老速率'，"该研究的资深作者Ikuo Suzuki指出，"这一发现拓宽了我们对相关物种间不同脑结构背后机制的理解。"
来自发育中大鼠皮层的这些发现将有助于更深入地理解人类大脑进化。反过来，这也可能有助于拓展我们对发育和神经障碍机制的认识，在再生医学领域具有令人兴奋的潜在应用。
关键问题解答：
问：如果大鼠和小鼠亲缘关系如此密切，为什么它们的大脑皮层比例完全不同？
答：这归结为一个细胞计时器。虽然两种动物都使用完全相同类型的干细胞来构建它们的大脑，但大鼠中的神经前体细胞保持"年轻"状态的时间比小鼠长约一倍。这种延迟使大鼠大脑在切换到构建上层之前堆积了大量的深层神经元。
问：是什么特定的生物钟告诉发育中的脑细胞何时停止制造一层并开始制造另一层？
答：主要协调者是Wnt信号通路，它调节皮层生长的节奏。大阪大学的研究发现，大鼠在早期发育过程中Wnt信号基因表达时间延长。这种持续的化学信号使干细胞锁定在深层生产模式，直接改变大脑的最终物理结构。
问：研究大鼠和小鼠大脑之间的差异如何帮助医生治疗人类神经障碍？
答：人类大脑通过类似的细胞层比例结构变化进化而来。通过分离控制神经元创建的确切分子开关和衰老速率，科学家获得了人类大脑进化的蓝图。未来，这可以帮助研究人员识别发育性脑障碍中出错的地方，并解锁再生医学中的新疗法，以重建受损的神经组织。
编辑注释：
- 本文经神经科学新闻编辑编辑
- 完整审阅了期刊论文
- 工作人员添加了额外背景信息
关于此项神经发育研究新闻
作者：Saori Obayashi
来源：大阪大学
联系人：Saori Obayashi – 大阪大学
图片：图片由神经科学新闻提供
原始研究：开放获取
"哺乳动物皮层神经元组成的物种间多样性源于神经发生的异时性"
作者：Yuki Y Yamauchi, Xuanhao D Sheu, Rafat Tarfder, Takuma Kumamoto, Jun Hatakeyama, Haruka Sato, Pauline Rouillard, Merve Bilgic, Shuto Deguchi, Tomonori Nakamura, Yusuke Kishi, Kazuo Emoto & Ikuo K Suzuki
《EMBO杂志》
DOI:10.1038/s44318-026-00806-z
摘要
哺乳动物皮层神经元组成的物种间多样性源于神经发生的异时性
哺乳动物共享分层的大脑皮层，兴奋性神经元亚型以不同层的形式有序排列。尽管这一框架是保守的，但亚型平衡在物种间差异显著，其机制在很大程度上尚不明确。
在此，我们表明物种特异性的神经元组成源于神经发生时间动态的非均匀缩放。对八种哺乳动物的比较组织学显示，在体感皮层中，大鼠的深层存在显著的特异性扩张。
大鼠皮层的这一特征源于在转换至上层之前，深层神经元生产的早期神经发生阶段的特定延长，这一点通过神经元出生日期确定和单细胞转录组学得到了证实。深层神经元生产的时间由控制神经前体细胞衰老的遗传程序调节，包括经典的Wnt信号通路。
比较单细胞转录组学显示，大鼠的皮层前体细胞表现出显著升高的Wnt配体表达。因此，虽然皮层神经发生的顺序是保守的，但其进展在物种间是非均匀缩放的。
精确的异时性微调允许在不大幅重塑保守的皮层发生程序的情况下对细胞配置进行进化优化。
【全文结束】
