成人神经元发生争议颇多《自然》杂志发文揭示未成熟神经元终身存在

人类成年之后，大脑的记忆中心能否持续产生新的神经元细胞？这一问题关乎阿尔兹海默症等许多神经退行性疾病的研究与治疗。在现代神经科学发展史上，该问题曾几经反转，争议不断。

日前，来自美国宾夕法尼亚大学的宋洪军教授和明国莉教授的研究团队共同在《自然》在线发表的研究论文。

该研究揭示了人类大脑的海马区域终生存在未成熟的神经元细胞，并且在成年人中仍然保持有产生新的神经元的能力。与此同时，研究团队报道了未成熟神经元在人类整个生命周期和阿尔茨海默症之中的分子图谱，该进展为深入研究成年人脑神经发生及其在记忆、情绪、行为和大脑疾病中的作用铺平了道路。

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该研究揭示了人类海马未成熟神经元在整个生命周期和神经疾病中的转录组学的分子特征，为进一步探索其在脑部疾病中的应用奠定了分子生物学基础。

“过去30年来，神经科学最激动人心的发现之一即在成年人的海马体中不断产生新的神经元。这些新生神经元来自成体的神经干细胞，其中许多可能以未成熟神经元的形式存在，这是成年大脑具有可塑性的标志之一，并可能为再生医学提供新的途径。”该研究的第一作者周毅博士介绍道，“如果这些新生的、尚未成熟的神经元可以用来补充患有神经或精神类疾病的病人大脑中所损失的细胞，就可能可以延缓阿尔茨海默病的发作，或者可以帮助人们从抑郁症或者创伤后应激障碍中恢复。这些都可以加深我们对于人脑和脑部疾病的理解，甚至促生新型的治疗手段。”

周毅师从宋洪军教授和明国莉教授。他在约翰·霍普金斯大学获得神经科学的博士学位。2018年起从事博士后研究，应用单细胞测序分析、机器学习等方法来探索神经科学与干细胞科学领域有意义的生物学问题。他曾获得美国心脏医学会、纽约州科学院、宾夕法尼亚Kaushal家族等机构所颁发的研究基金及奖项。

人类脑内终生存在未成熟神经元

由神经干细胞产生神经细胞（即神经元）的过程被称为神经发生。在成年哺乳动物大脑的海马区域，这一过程是由活化的神经干细胞产生增殖的子代细胞（包含了中间神经祖细胞和成神经细胞），进一步分裂成未成熟的齿状回颗粒神经元细胞，而后这些未成熟神经元会最终成熟，并融入神经环路之中。

长期以来，由于缺乏一种简单、灵敏并且可行的方法来识别成人脑组织样本中新产生的未成熟神经元，“人类成人神经发生是否存在”的议题已经引发了长达十几年的争论，神经科学家很难达成共识。

其主要原因在于，此前引发争论的多项研究证据来自于免疫组织学报告。“这些研究主要依赖于传统的未成熟神经元标记物，即双皮质素的免疫组织化学结果，而双皮质素的染色标记对于组化方法和人脑标本质量的要求都十分苛刻。由于检测技术的限制使得人们对于人类海马体中未成熟神经元的认识非常有限，因此需要寻求新的识别和分析的方法，尤其是高精度、高通量的方法。”周毅介绍道。

对人类婴儿海马体中未成熟神经元的单细胞测序和免疫组织学分析

为了研究人类海马体中具有未成熟神经元特征的细胞的存在、丰度和分子特性，研究团队进行了单核转录组测序，并采用了机器学习的方法来进一步提高分析精度，以区分未成熟和成熟海马体神经元之间的细微差异。

基于上述方法，该团队证实从出生前、婴儿期、幼儿期、青春期、成年直到耄耋之年（所检测的最年老的样品为92岁）等六个年龄组的全年龄段人类大脑样本中都存在未成熟的海马体神经元。这些不同年龄段的未成熟神经元所共同富集表达的基因与成熟神经元不同，主要与神经系统发育、神经发生、离子转运和神经元投射发育等通路有关，并且与小鼠海马的未成熟神经元对比来看存在种属差异。与此同时，人类海马未成熟神经元的部分分子属性随着年龄而变化。与之鲜明对比的是，研究人员用相同的分析方法和参数设置，并没有在成人的额叶皮层、视觉、内嗅皮层、小脑等其它多个公认不存在未成熟神经元的脑区的单细胞数据集之中检测到其存在。

为了更直接地了解神经疾病如何造成其紊乱，周毅等人还对阿尔茨海默症患者的海马体样本进行了单核转录组测序并与同龄健康人对照研究。结果表明，阿尔茨海默症患者大脑中未成熟神经元的比例大大降低，并且其分子属性及其与所在微环境内的相邻细胞的相互作用发生了变化。这一发现使我们对未成熟神经元如何受神经疾病影响有了分子机理层面的认识。

目前的单细胞组学分析如同拍照一样，只能记录下按快门的时刻的情形。研究人员虽然检测到了未成熟神经元，但是并不清楚这些细胞究竟来自于出生前的发育阶段还是确实是后天形成。为了进一步确凿这个关键问题，探究神经发生的过程在成年人类中是否存在，研究人员在不添加任何生长因子的条件下将成年人海马组织样本切片，进行短期离体细胞培养，并用核苷酸类似物示踪细胞分裂。结果清晰地标记到了新生的成神经细胞和未成熟颗粒神经元细胞，这表明成年人类的海马体具有新产生神经元的能力。

总体而言，该研究揭示了成人海马未成熟神经元的基因表达的特征，与小鼠之间的异同之处，并显示其如何在正常衰老过程中发生变化，以及在阿尔茨海默病中的变化情况。

基于研究数据，研究人员积极展开假设：由于在灵长类中，从增殖的中间神经祖细胞和成神经细胞分化而来的未成熟神经元的成熟周期较之于小鼠显著延长，人类的更可能长达几年，这样即便灵长类动物（包括人类）的海马齿状回神经发生系统停留在相对低频的增殖水平，海马系统也能终生维持一个数量可观的未成熟神经元细胞群。这或许会为未来基于中枢神经系统的再生医学提供一种新的思路和发展方向。

阿尔茨海默病患者表现出未成熟神经元数量的减少和基因表达改变

单细胞测序技术加速推动神经科学研究

周毅的两位导师——宋洪军教授和明国莉教授均为美国国家医学科学院院士，目前在宾夕法尼亚大学医学院任讲席终身教授。他们的研究团队长期合作致力于探索神经发育、神经干细胞、神经表观遗传、类脑器官、诱导性多能干细胞、神经和精神类疾病模型、单细胞组学等众多研究方向。并且，作为单细胞测序领域的先驱，他们的研究团队早在2015年起，就陆续发表了多篇相关论文。

本项研究伊始，研究团队计划使用多学科交叉的方法来掌握人类未成熟神经元在整个生命周期和阿尔茨海默病中的全部情况，一大挑战即是需要收集不同年龄组、不同疾病状况的大量人体样本。“多年以来，我们专注并试图直接研究人类的神经发生。然而对于脑科学研究来说，其不可避免的问题在于人体组织样本的采集十分艰难。本项研究仅样本收集过程便花费数年时间。”周毅介绍道。

他表示，“基于动物模型的研究既不能完全模拟人类大脑的发育或疾病，也无法实现对于潜在的治疗化合物所产生的副作用进行有效预测。因此，直接研究人脑样本，或者用基于人体多能干细胞的实验模型和临床试验所产生的结果十分重要。在此基础之上，借助于基因（组）编辑和检测手段的快速进展，该领域研究或将迎来更多新的见解。”

该研究的另一个主要挑战在于识别出人类未成熟的神经元。实验初期，研究团队与其他所有研究者一样，同样无法在单细胞RNA测序数据集中识别出未成熟的神经元群体。“我们当时分析其可能的原因是未成熟和成熟的颗粒神经元群体之间的分子差异太小，目前通行的生物信息学分群方法无法检测和甄别。”

据此，周毅等选择先检测人类婴儿期的海马，这一年龄段公认存在大量未成熟神经元。他以这些样本中高可信度的未成熟神经元作为“原型”，建立机器学习模型进行训练，同时使用已发表的具有大量未成熟神经元的和公认不存在未成熟神经元的脑区的多个数据集，分别作为阳性和阴性对照，还事先将整套策略在已发表的小鼠海马数据集中测试了一遍，最终建立起了高灵敏度和高特异性的机器学习识别方法。

周毅坦言，采用单细胞组学的方法来探索人脑和脑部疾病才起步不久。接下来团队将进一步研究不同脑部疾病中的未成熟神经元，以确定它们在脑部疾病中的相关性甚至应用。并且将使用人类多能干细胞分化的模型系统，对影响人类神经发生的关键基因的进行功能性的验证工作，建立其因果性。除此之外，他表示，他对开发和整合单细胞多组学技术十分感兴趣，尤其是包含空间信息的测序技术，再结合先进的生物信息学方法对数据进行深度挖掘。这些技术平台的协同发展一定可以为研究按下“加速键”。

“我们做研究的目标始终是想为神经科学提供新的、未知的信息和知识，推动整个领域向前发展。比如这项研究的立项之初，我们就不愿停留在争论有或没有的二元化问题，而是想结合近10年来飞速发展的新平台和新技术，来为本领域注入新动力——不仅是开发新的大通量的数据库，我们也希望通过高灵敏度的方法，在组学层面挖掘出一些新的标记物，加深我们对这一重要的细胞类型受到衰老和脑部疾病影响的认识。”周毅对此强调。