人類大腦為什麼疊成核桃似的?


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人類大腦為什麼疊成核桃似的?

說到人類大腦,你一定能聯想到這種堅果——核桃,它們的外形實在是太相似了,都有著層層疊疊的褶皺和深深淺淺的溝回,也難怪崇尚“以形補形”的中國人會認為“核桃能補腦”了。但是其實兩者也不太一樣。

如果你拿幾個核桃來比較一下,會發現核桃的溝回是有差異的,它們長得併不一樣,可是大腦卻不是。科學家發現,人們的大腦長得都很相似,有的地方溝回很多,有的地方就相對平滑。看來,大腦也有一張“固定圖紙”,如果有人的大腦不按“圖紙”進行折疊,他們很可能患病。

大腦折疊的“圖紙”

在生物的發展史上,神經系統是一種重要的演化。我們認為神經系統越複雜的生物,它的演化等級越高。除了極少數動物,比如海綿類外,幾乎所有真核生物門的動物都具有神經系統,哺乳動物不僅具有神經中樞——大腦,還進化出了能思考的大腦皮層。但人類的大腦皮層還是很特別,其他動物的大腦都不像我們這樣折疊成“核桃”,即使是人類的近親猿猴,也不像我們的大腦這樣“皺”。為什麼我們的皮層尤其“皺”呢,是什麼決定的?大腦的“圖紙”是怎樣的呢?

不用說,大腦的“圖紙”就是基因,它指揮著大腦按固定的步驟進行折疊,其中有不同的基因參與大腦的折疊。德國馬克斯普朗克研究所的研究人員發現了一種只在人類身上存在的基因,這種名為“ARHGAP11B”的基因會讓人類大腦產生更多的腦細胞。當腦細胞越來越多,大腦裝不下時,就會發生折疊。

然後,另外一些基因一步步指導大腦折疊。比如,德國馬克斯普朗克研究所和德國萊布尼茨聚合物研究所的科研人員發現,大腦總是從擁有蛋白聚醣連接蛋白、基膜聚醣和膠原蛋白這三種蛋白質的腦細胞開始折疊,控制這三種蛋白質合成的基因標記著折疊的起點。

新西蘭奧塔哥大學的神經學博士亞當·奧尼爾則找到了另一個基因——PLEKHG6,這個基因能指揮腦細胞在正確的時間生產,去到正確的位置。奧尼爾在實驗室裡改造了一個皮膚細胞,它原本應發育成手部皮膚,通過改變這個細胞的基因表達,它將發育成一個“微型大腦”。接著,奧尼爾使PLEKHG6基因失效,發現“微型大腦”中部分腦細胞並沒有到達正確的位置,最終折疊出的“微型大腦”與正常大腦並不相同。

於是我們知道了,腦細胞的生產順序和所處位置也有“藍本”,腦細胞必須聽從指揮,到達正確的位置,這樣當大腦按照“先生產,先折疊”的規律進行折疊時,就會折疊出正確的形狀。

折疊出錯後果嚴重

正常人控制大腦細胞的基因是相似的,因此腦細胞生產順序和所處位置能保持一致,這樣不同人的大腦折疊後的形狀就會很類似,但是如果基因發生了突變,大腦折疊形狀變化了,發生精神疾病的可能性就會大大增加。

精神分裂症是一種較常見的精神疾病,表現為精神失常、妄想和感知扭曲等,但許多其他精神疾病也有這些症狀,所以光靠這些症狀很難確診病人是否真的罹患精神分裂症。並且精神分裂症患者越早接受心理治療或者藥物治療,其病情好轉越快。因此如果有方法能更早確診精神分裂症,將能大大提高該病治癒的可能性。

為此,許多科學家進行了這方面的研究。加拿大西安大略大學精神病學副教授莉娜·帕拉尼亞潘研究發現,對大腦進行核磁共振掃描,比較大腦褶皺形狀,有利於精神分裂症的診斷。研究小組收集了瑞士123名測試者的核磁共振掃描數據,包括79名已表現出精神分裂症症狀但還未確診的潛在患者和44名健康人,結果發現他們的大腦折疊形狀不太一樣,在正常人褶皺較多的大腦區域,潛在患者的褶皺卻很少,大腦皮層很平坦,而相鄰區域則相反。 4年後,參加過實驗的79名潛在患者中的16人確診了精神分裂症。如果4年前潛在患者們能根據大腦褶皺形狀異常的體檢結果進行預防,他們很可能不會發病。

我們的大腦皮層的腦細胞數量遠遠多於其他哺乳動物,這是我們智力突飛猛進的原因,但與此同時,數量大增的腦細胞和復雜的腦部結構也增加了我們患上精神疾病的風險。在了解大腦結構的基礎上,早預防早治療應成為我們應對風險的重要手段。