人脑的不同区域各司其职：最前端的前脑（forebrain）负责认知功能，使人能够理解诗歌、科学乃至自我；包含大部分脑干的后脑（hindbrain）则控制呼吸、心率、意识和睡眠。后脑神经元退化会导致脊髓性肌萎缩和肌萎缩侧索硬化等疾病，因此该区域一直是研究热点。然而，科学家长期难以在体外培养哺乳动物后脑细胞，如今研究人员可能终于找到了原因。

前脑与后脑源自不同祖细胞

斯坦福大学（Stanford University）发育生物学家Kyle Loh及其团队通过研究小鼠胚胎，发现前脑和后脑由不同的祖细胞发育而来。相关成果发表在《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）上，为脑发育提供了更深入的见解，并建立了研究后脑相关疾病的模型。

研究人员检查了7日龄小鼠胚胎的神经外胚层——即发育为神经系统的胚层。原位杂交和单细胞RNA测序显示，该胚层内存在两个不同的细胞群体。表达转录因子orthodenticle homeobox 2（Otx2）的细胞位于脑的前侧，经典发育命运图谱提示它们将形成前脑；而位于后侧的细胞表达转录因子gastrulation brain homeobox 2（Gbx2），似乎会发育为后脑。

随后，团队对7日龄胚胎中表达Gbx2的细胞进行红色标记并开展谱系追踪。他们观察到，标记在18日龄胚胎的后脑中积累，而未出现在前脑，表明这些祖细胞确实发育为后脑。

解锁后脑神经元的培养方法

接下来，研究人员开发了一种策略，利用生长因子将人类多能干细胞——包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPSCs）——诱导为前脑和后脑祖细胞。对这些分化细胞的高通量测序揭示了不同的转录和染色质景观；研究人员还发现，这些祖细胞只对各自的生长因子产生响应，这为它们最终形成不同脑区的潜力提供了线索。

基于这些信息，研究人员将人类多能干细胞分化为后脑运动神经元。这些细胞表现出该后脑神经元群体的特征，包括电生理活动和基因表达。

论文共同作者、Loh实验室研究生Rayyan Jokhai在新闻稿中表示：“此前制造后脑神经元的尝试，很可能试图将前脑和中脑祖细胞诱导为后脑细胞，而我们的研究表明这是不可能的。”

跨物种的保守性

最后，Loh团队想了解这种祖细胞区室化是否存在于其他物种。分析已发表数据发现，猕猴、鸡和斑马鱼中均存在分离的Otx+前侧神经外胚层和Gbx+后侧神经外胚层群体。原位染色表明，与脊椎动物约5.5亿年前分化的橡实虫（acorn worms）也含有互斥的前脑和后脑特异性祖细胞群体。

Jokhai说：“我对我们的发现感到惊讶，因为‘脑’这个词意味着一个连续的器官，可能具有单一来源。但即使在5亿年前，就已经存在这些独立的神经系统，如今它们几乎作为一个整体运作，这非常酷。”

来源：The Scientist（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）