诸颖:人脑如何通过基因编辑改变而被塑造?
作为人类,
我们从哪里来,
要到哪里去,
以及,我们到底是谁?
这三个问题,不仅仅是哲学家们对于人之存在的追问,也是一直以来脑科学研究者们对于人脑运作方式的追问。
复旦大学脑科学研究青年研究员、2021年上海科技青年35人引领计划(35u35)入选者诸颖博士,在2022复旦大学管理学院科创周系列论坛之“科创先锋论坛·未来力量”上,从进化和疾病两个角度,阐述了基因突变会如何塑造人类的大脑。
猩猩可以变成人吗?
物种间的差异,
究竟是先天的,
还是后天发生的?
人类与其他物种相比,
是不是有某些特有的行为和能力?
经过长期训练的黑猩猩可以分辨数字,说明黑猩猩能够做到很多我们原来不知道的事情,这是不是代表着黑猩猩有成为人类的可能呢?
诸颖介绍,在很早之前,科学家们就对这个问题产生了好奇。美国心理学家凯洛格博士曾发起了一次实验,用相同的方式养育刚出生的黑猩猩和人类婴儿,而实验的目的就是把黑猩猩养育成为一个“人”。由于黑猩猩的发育速度是比人要快的,所以在早期发育过程中,它甚至学得比人类小孩更快,可以用勺子吃饭、认人、对枪声可以迅速做出反应,但人类小孩完全没有反应等等,但是它始终学不会的就是人类的语言。
这个实验说明,
虽然黑猩猩能够学会人的很多行为,
但是人和猩猩之间还是有差别的。
这些差别究竟是什么原因呢?
进化过程中的“cpu性能提升”
大脑是控制行为的中枢。
如果把人脑比作电脑,
把每个神经元比作一个cpu的话,
那么人脑就是
一台拥有860亿个cpu的超级电脑。
如果要提升一台电脑的性能的话,
可以提升cpu本身的性能,
增加cpu的数量,
改变cpu组装成计算节点的组装方式,
或是改变计算节点之间
或者节点内部的连接方式。
诸颖介绍说:
“
这些在人脑当中都有对应的东西,而且在进化过程中,这些优化全部都发生了。
”
智力是由大脑的尺寸决定的吗?诸颖表示,无论是大脑尺寸,还是脑与身体的比例,都并不能完全解释人脑强大的功能。
事实上,大脑结构的进化是关键。据诸颖介绍,人脑在进化中出现了更多褶皱,使得大脑皮层产生了更大表面积,从而拥有更多的神经元。同样,皮层的扩张在不同物种的脑区之间也是不一样的,比如负责高级认知功能的前额叶皮层在灵长类动物脑中的比例大大扩增。
此外,影像学实验还发现,脑区之间的连接也在物种进化过程中发生了改变。在人脑当中,更多的脑区开始涉及到语言功能,不同脑区之间的连接也更强。
这些大脑结构上的改变是由什么决定的?人与黑猩猩的dna相似度高达98%,与恒河猴的dna相似度高达93%,这么微小的差异,是如何导致在大脑结构上和功能上巨大差异的?
更长的大脑可塑性的时间窗
“我们直接比较了成年人、黑猩猩、恒河猴不同脑区的所有基因的表达,确实找到了很多在物种间具有差异表达的基因,特别是发现了一种神经元的类型,在除了人以外的人亚科动物大脑皮层中都没有。”诸颖说。
从遗传概率来说,这种细胞很可能是在人亚科动物的祖先当中消失了,却又出现在了人类身上。这个实验也回答了前面的问题,在单个神经元或者神经元类型的水平上来说,确实存在着物种间的差异,也就是说进化过程中发生了“cpu性能提升”的过程。
成年大脑中的特征
是在发育过程中缓慢形成的。
为什么人的寿命、人的发育期
都比其他动物要长?
不仅如此,
与其他的器官相比,
人脑在胚胎期、儿童时期的发育
还具有特异性的延长。
这说明了什么?
“进行进一步的功能分析,我们发现在胚胎期的延长主要跟神经元产生相关,这可能与大脑的扩张是有关的。”诸颖说。而在儿童期,这种延长主要跟突触发生和髓鞘化相关,这两个过程都是跟大脑可塑性相关的,这说明儿童期发育的延长,使得人类可能有了一个更长的大脑可塑性的时间窗。
基因突变与脑疾病
“我们还发现了一些与脑疾病相关的基因,也具有人类特异性的表达。”诸颖介绍说,“对于这些基因,我们还需要进一步地研究,来看是不是有哪些基因可以解释人类特别容易受到神经精神类疾病的困扰。”
大多数脑疾病都是多基因复杂疾病,由多个基因的突变带来的叠加影响导致。“比如说自闭症,目前找到的跟它相关的基因有几百个”诸颖解释说,“对于一个病人来说,他不会是这几百个基因都发生突变了,可能是这个病人有这些基因发生突变,那个病人有那些基因发生突变。哪个基因是其中关键的基因?哪个基因对应哪些特定的表型?这些目前都是不清楚的。”
因此,诸颖的另一个研究方向
是希望通过计算模拟的方式,
筛选疾病风险基因中的关键基因
以及预测每个疾病相关基因
可能会导致什么表型。
目前,诸颖的科研团队有一项尚未发表的研究成果:开发了一个基于组学数据来预测基因突变所造成的表型的计算模型,可以根据需要的表型来筛选关键的调控基因,也便于寻找治疗靶点。
“它可以预测这个基因会通过什么信号通路最终影响什么表型,可以为理解发病机制提供线索。”诸颖说。
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