与我们的灵长类亲戚相比，人类进化出了不成比例的大大脑——但这种神经系统的升级是有代价的。探索这种权衡的科学家们发现了独特的遗传特征，这些特征显示了人类脑细胞如何处理保持大脑工作的压力。这项工作可能会激发新的研究方向，以了解帕金森病和精神分裂症等疾病。
这项研究于11月15日发表在bioRxiv预印本服务器上，研究重点是产生神经递质多巴胺的神经元，多巴胺对运动、学习和情绪处理至关重要。
通过比较来自人类、黑猩猩、猕猴和猩猩的数千个实验室培养的多巴胺神经元，研究人员发现，与其他灵长类动物相比，人类多巴胺神经元表达了更多促进抗氧化剂活性的基因。
威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家Andre Sousa说，这些尚未经过同行评议的发现是朝着“理解人类大脑进化以及随之而来的所有潜在的消极和积极的事情”迈出的一步。“真正尝试了解人类大脑的特殊性是很有趣和重要的，有可能在未来开发新的疗法，甚至完全避免疾病。”
不堪重负的神经元
正如直立行走导致膝盖和背部问题，下颌结构和饮食的变化导致牙齿问题一样，人类大脑在进化过程中的快速扩张给其细胞带来了挑战，研究报告的合著者、加州大学旧金山分校的神经科学家Alex Pollen说。“我们假设同样的过程可能正在发生，这些多巴胺神经元可能代表脆弱的关节。”
通过成像工具，Pollen和他的同事们发现，人类大脑中两个需要多巴胺的区域比猕猴大得多。前额叶皮层大18倍，纹状体大近7倍。
然而，Pollen说，人类的多巴胺神经元数量只有灵长类动物的两倍左右。因此，在更大、更复杂的人类大脑中，这些神经元必须伸展得更远，工作得更努力——每个神经元形成200多万个突触。
“多巴胺神经元是真正的运动员，”康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的发育神经学家Nenad Sestan说。“它们不断被激活。”
为了了解人类多巴胺神经元是如何适应大大脑的需求的，Pollen和他的同事们在实验室里培养了这些细胞的不同版本。
他们将8个人类、7只黑猩猩、3只猕猴和1只猩猩的干细胞（可以发育成多种细胞类型）结合在一起，将它们培育成被称为类器官的微型类脑结构。30天后，这些结构开始产生多巴胺，模仿发育中的大脑。
然后，研究小组对多巴胺神经元进行了基因测序，以测量哪些基因被激活以及它们是如何被控制的。
在对人类和黑猩猩神经元的分析中，研究人员发现，人类神经元表达了更高水平的管理氧化应激的基因——氧化应激是一种由产生多巴胺的能量密集型过程引起的细胞损伤。这些基因编码的酶可以分解和中和有害细胞的有毒分子，即活性氧。
为了研究人类多巴胺神经元是否进化出了独特的应激反应，作者使用了一种杀虫剂，这种杀虫剂会对类器官产生氧化应激。他们发现，由人类细胞发育而来的神经元增加了一种名为BDNF的分子的产生，而这种分子在患有神经退行性疾病（如帕金森病）的人身上会减少。他们在黑猩猩的神经元中没有看到同样的反应。
提高韧性
了解这些保护机制可以帮助开发增强帕金森氏症高危人群细胞防御的疗法。Sousa说：“由于突变，这些保护措施中的一些可能并不存在于每个人身上。这给这些人带来了额外的脆弱性。”
Pollen说：“对一些候选靶点进行干扰，然后移植到帕金森病的[动物]模型中，看看它们是否赋予神经元更强的恢复能力，这可能是非常有趣的。”
研究中的类器官代表发育中的神经元，相当于胚胎中存在的神经元，并且不能完全捕获成年神经元的复杂性。未来的研究将需要探索这种保护机制如何在成熟和老化的神经元中发挥作用，Sousa说，因为“影响这些细胞的退行性疾病通常发生在较晚的年龄”。
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