圖蟲創意
人腦是人體最復雜的器官之一，負責處理和協調我們所有的思想、感覺、行為和身體功能。它的生長發育和我們的身心健康密切相關。最近，科學家發現，有些精神疾病可能與大腦在胚胎時期的發育有關。
胎兒大腦發育是一項“大工程”。胎兒大腦中每一秒鐘就會有四千多個神經細胞出現，而且在一平方厘米的范圍內，每秒會有三萬個突觸連接形成，這個速度可是連現在的互聯網傳播都達不到的。成年人類大腦中包含數百種細胞類型，展現出非凡的分子、形態學、解剖學和功能特征多樣性。盡管大多數皮層神經元在妊娠早期和中期產生，但細胞類型的獨特分子特征出現在妊娠晚期和青春期之間。單細胞和大量轉錄組分析表明，在孕晚期和產后早期發育中，有明顯的基因表達重塑。
早期大腦發育會影響身心健康？2021年發表在精神病學領域頂級期刊《分子精神病學》上的一項研究給出了肯定的答案。來自美國康奈爾醫學院調查人員的研究表明，在胚胎發育的第一個月里，腦細胞的多種變化可能會導致日后的精神分裂癥。該研究為理解精神分裂癥填補了一個重要的空白，也開闊了思路。因為我們一貫認為精神分裂癥在中老年階段是比較多發的，但這項研究認為這種疾病很有可能出現在生命生長發育的初期。
近期，首張海馬體和前額葉皮質中DNA修飾的圖譜進一步提供了依據。10月9日，美國加州大學洛杉磯分校牽頭的相關研究在《自然》雜志上發表，研究揭示了人類大腦發育過程中基因調控的演變方式，并展示了染色質的3D結構在其中發揮的關鍵作用。研究人員繪制了海馬體和前額葉皮質中DNA修飾的首張圖譜，為早期大腦發育如何影響身心健康提供了新的見解。
前額葉皮層、海馬體影響著我們的精神和心理狀況，并且早在胚胎時期就開始發育了。前額葉皮層在大腦中充當著CEO和指揮官的角色，負責協助神經中樞的各部分，完成組織性、指導性和創造性的活動，在記憶、判斷、分析、思考、操作等方面有重要作用；海馬體則是我們大腦中的緩存和空間導航專家，它不僅負責將短期記憶轉化為長期記憶，參與空間記憶的形成還與情緒記憶緊密相連。海馬體和前額葉皮質在學習、記憶及情緒調節中扮演著重要角色，同時也與自閉癥、精神分裂癥等疾病密切相關。
為了繪制前額葉皮層和海馬體的DNA“藍圖”，研究人員采用了一種尖端測序方法，也就是單核甲基化測序和染色質構象捕獲技術。這項技術能同時分析控制單個細胞基因表達的兩個表觀遺傳機制。想要理解導致神經精神疾病的關鍵，就要搞清他們是如何作用于影響發育基因的。研究人員分析了從中期妊娠到成年期的供體提供的超過53000個腦細胞，揭示了關鍵發育窗口期間基因調控的重大變化，構建出人類大腦發育關鍵時間點發生的巨大遺傳重組的全面圖景。
研究人員表示，嬰兒大腦發育最活躍的階段發生在孕中期左右。被稱為放射狀膠質細胞的神經干細胞在第一和第二孕期已經產生了數十億個神經元。這時，它們停止產生神經元并開始產生支持和保護神經元的膠質細胞。同時，新形成的神經元逐漸成熟，獲得履行特定功能所需的特征，并形成突觸連接以進行通信。
神經精神疾病，包括那些成年后才出現的疾病，往往源于干擾早期大腦發育的遺傳因素。這張圖譜提供了一個基線，可以與受疾病影響的大腦的遺傳研究進行比較，并精確定位分子變化發生的時間和地點。如今研究人員已經識別出了不同細胞類型之間的關聯，這一發現或有助于識別神經發育和神經精神疾病中有意義的遺傳風險因素，對改進大腦類器官等基于干細胞的模型具有重要意義。
培育一個健康的人類大腦是一項偉大的壯舉。胚胎從芝麻粒兒大開始發育，在母體內開啟一段40周的“神奇旅程”。在這期間，小生命的大腦結構也變得越發復雜靈敏。雖然新發現只是大腦基因研究的冰山一角，對于人腦起源、發育及功能的研究還將繼續，但這項新研究建立了一個重要的數據庫。未來，關于胚胎大腦的“秘密”還有很多未知等待我們去挖掘。
本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：陳鼎新
審核：桂雅星 上海市第一人民醫院神經內科主任醫師
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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