几个世纪以来，科学家一直认为大脑是一个单一、统一的器官。但由斯坦福医学院（Stanford Medicine）领衔的新研究揭示，我们所称的“大脑”实际上是两个独立的器官，它们在数亿年间各自独立演化而来。
这一发现推翻了主流的脑发育模型。几十年来，研究人员一直信奉一种理论：发育早期存在单一祖细胞，衍生出整个大脑。该模型意味着大脑所有部位共享共同的发育起源。
新研究结果表明，人类大脑由两个古老的神经系统巧妙地组合在一起——一部分较为原始，调节心跳、呼吸等功能；另一部分则赋予我们独特的人类特质，让我们能够创作诗歌、研究数学、思索自身的起源。
这一发现有助于解释为什么科学家几十年来一直难以在实验室培养某些类型的脑细胞——并为研究影响脑干的毁灭性疾病开辟了新途径，例如脊髓性肌萎缩症（SMA）和肌萎缩侧索硬化症（ALS，又称卢·格里克病）。
发育生物学副教授Kyle Loh博士说：“我们首次证明，大脑前部与后部源自完全不同的祖细胞。我们的发现意味着，我们现在可以在培养皿中培育大脑后部（后脑）的神经元并研究其功能。”
该研究成果已发表于《自然·神经科学》。
成年大脑有三个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑负责高级思维——语言、意识和抽象推理。相比之下，位于颅骨后部、常被称为脑干的后脑，则控制维持生命的基本自动功能：呼吸、睡眠，以及调节心跳和饥饿感。后脑神经元还控制面部、舌头和咽喉的肌肉，影响说话和吞咽。
尽管后脑至关重要，科学家几十年来一直难以在实验室中培育出人类后脑神经元。这一空白阻碍了对包括脊髓性肌萎缩症和肌萎缩侧索硬化症在内的脑干相关毁灭性疾病的研究。
SMA是1岁以下儿童的主要遗传性死因之一。ALS通常在40至70岁之间确诊，同时影响前脑和后脑。在这两种疾病中，某些后脑神经元逐渐失去功能，患者丧失吞咽能力，当食物或液体吸入肺部时可引发肺炎；最终，患者丧失呼吸能力。
研究人员的突破来自对胚胎发育最早时刻的研究，即“原肠胚形成”阶段——身体初次成形之时。Jokhai和Dundes发现，后脑遵循一条独立的发育路径，与形成前脑和中脑的路径并行推进，而非从中分支而来。
研究人员是通过观察发育中的小鼠胚胎得出这一结论的。他们识别出两种不同的脑祖细胞：一种表达名为Otx2的基因，注定成为前脑和中脑；另一种表达名为Gbx2的基因，注定形成后脑。他们证明这两群细胞从不重叠，从发育最早阶段起就相互排斥。
随后，团队检测了这些细胞中的DNA包装结构——染色质。染色质是细胞决定哪些基因易于访问、哪些基因被封存而无法触及的方式。他们的发现令人震惊：前神经外胚层（未来的前脑和中脑）与后神经外胚层（未来的后脑）具有根本不同的染色质构型。这些差异实际上将每种祖细胞锁定在各自的命运中，就像行驶在永不相交的平行轨道上的旅人。
Jokhai说：“以往培育后脑神经元的尝试，很可能都是试图诱导前脑和中脑祖细胞转变为后脑细胞，而我们的研究表明这是不可能的。”
这一揭示解释了该领域几十年的挫折——科学家一直在试图将一种祖细胞转变为它在根本上无法成为的另一种细胞。
Jokhai说：“在干细胞生物学中，人们总是执着于制造终末细胞类型，比如神经元。但从胚胎发育最早阶段入手非常重要。正是我们对这一早期时间点的细致关注，让我们发现了脑发育中的这一根本性分裂。”
有了这一认识，研究人员首次成功诱导人类多能干细胞（一种能够产生人体任何细胞的细胞）在实验室中转变为有功能的后脑运动神经元。这些实验室培育的神经元展现出真正后脑细胞的所有特征：它们表现出称为动作电位的电活动波，并产生标识后脑中控制面部肌肉和吞咽肌肉区域的蛋白质。
最后，研究人员回溯了5.5亿年的演化历程。他们在鸡和斑马鱼中发现了相同的双起源大脑模式；令人惊叹的是，在橡子虫——一种生活在海底、与人类拥有遥远共同祖先的微小生物——中也存在这一模式。而大约在6亿至7亿年前与人类分化开来的水母，则在身体两端各有一套神经系统。
Loh说：“我们的研究表明，演化将两个已有的神经系统在空间上推到了一起。大脑作为一个单一器官或许效率更高，但我们依赖这种原始的方式来把大脑构造成两个独立的部分。”
Jokhai说：“我对我们的发现感到惊讶，因为‘大脑’一词暗示着一个很可能具有单一起源的连续器官。但早在5亿年前，就存在这些彼此独立的神经系统，如今它们几乎作为一个整体运作，这非常酷。”
这项研究对探索SMA、ALS及其他影响脑干的疾病的治疗方法也具有重要意义。此前，研究这些疾病几乎不可能，因为科学家无法从在世患者身上获取脑干组织。在培养皿中培育这些神经元的能力，为理解疾病的出错机制打开了新的可能。研究甚至与肥胖治疗产生了意想不到的联系：后脑包含调节饥饿的神经回路——这正是semaglutide（司美格鲁肽）等减肥药物的作用机制。
研究人员希望将研究扩展到确定脊髓的发育起源，并弄清SMA和ALS究竟如何损害后脑神经元的功能。
Jokhai说：“现在我们拥有了一个模型，可以更好地理解这些毁灭性疾病，并致力于开发针对它们的再生疗法。这是脑研究中一个非常令人兴奋的新前沿。”
加州理工学院（California Institute of Technology）和加州大学旧金山分校（University of California, San Francisco）的研究人员也为这项研究做出了贡献。