早期出生后小鼠腦發(fā)育圖譜（epDevAtlas）的構(gòu)建。圖片來源：Nature Communications?(2025)。DOI：10.1038/s41467-025-64549-x

大腦的生長與成熟并非線性推進(jìn)的過程，而是一場由基因與外界刺激（如視覺與聽覺）共同編排的“動態(tài)舞蹈”。來自賓夕法尼亞州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院（Penn State College of Medicine）和艾倫腦科學(xué)研究所（Allen Institute for Brain Science）的研究團隊，首次繪制出一張能夠精確呈現(xiàn)小鼠腦內(nèi)關(guān)鍵細(xì)胞類型變化的高分辨率生長圖譜。這項成果發(fā)表于《Nature Communications》。

研究人員利用先進(jìn)的三維成像技術(shù)，構(gòu)建了一系列小鼠腦的3D圖譜，像是一部“時間推移影片”，完整記錄了出生后前兩周這一關(guān)鍵發(fā)育階段的大腦變化，為研究正常腦發(fā)育和神經(jīng)發(fā)育障礙提供了前所未有的工具。

“以往的大腦生長圖就像模糊的照片，而我們制作的是可以分辨到單個細(xì)胞的高清圖像，”論文通訊作者、賓州州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)與實驗治療學(xué)教授Yongsoo Kim表示，“這讓大腦發(fā)育的細(xì)節(jié)清晰呈現(xiàn)?！?/p>

小鼠腦在結(jié)構(gòu)和神經(jīng)回路上與人腦高度保守，因此可作為人類早期腦發(fā)育的重要模型。研究人員指出，小鼠出生后兩周的發(fā)育階段大致相當(dāng)于人類從妊娠晚期到幼兒早期這一關(guān)鍵窗口——此時大腦迅速成熟，也開始對外部刺激（如光線和聲音）作出反應(yīng)，從而塑造腦區(qū)體積變化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連線方式。

Kim解釋道：“許多神經(jīng)發(fā)育障礙，如自閉癥譜系障礙（autism spectrum disorder），就是在這一階段逐漸顯現(xiàn)的。問題一旦出現(xiàn)在早期發(fā)育階段，就可能隨著大腦的成長被放大。那些快速擴張的腦區(qū)往往也是最脆弱的?！?/p>

研究團隊使用名為serial two-photon tomography的先進(jìn)成像技術(shù)，從小鼠出生后第4天起，每隔一天掃描整個腦部，直至第14天，最終構(gòu)建出高分辨率的三維生長圖譜。這種方法能在顯微尺度上呈現(xiàn)每個細(xì)胞在大腦中的精確位置。

結(jié)果顯示，大腦的生長并非均勻進(jìn)行。其中，小腦（cerebellum）的體積增長最為顯著——該腦區(qū)位于頭部后方，主要負(fù)責(zé)運動協(xié)調(diào)、平衡控制，同時也參與部分認(rèn)知功能。

團隊還重點分析了兩類關(guān)鍵細(xì)胞類型的變化，以揭示腦部神經(jīng)回路在發(fā)育過程中的重塑機制。

第一類是GABA能神經(jīng)元（GABAergic neurons），它們在大腦中起“剎車”作用，抑制過度興奮的神經(jīng)活動。Kim指出，許多神經(jīng)發(fā)育障礙都與這種“剎車系統(tǒng)”失靈有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，這類細(xì)胞在皮層（cortex）中的密度在出生后迅速下降，并在第12天左右趨于穩(wěn)定；而在與運動與獎賞相關(guān)的紋狀體（striatum）中，其密度則顯著上升，顯示GABA神經(jīng)元的分布在出生后仍處于動態(tài)調(diào)整狀態(tài)。

第二類是小膠質(zhì)細(xì)胞（microglia），即大腦中的免疫細(xì)胞。Kim將它們比作“園丁”，負(fù)責(zé)修剪神經(jīng)元與突觸連接，幫助塑造更精確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞在出生后第8天前主要集中在腦白質(zhì)（white matter）中，但到了第10天左右，其分布明顯轉(zhuǎn)移至灰質(zhì)（gray matter）區(qū)域，并在處理感覺信息的腦區(qū)密度升高——恰好對應(yīng)小鼠開始睜眼、聽覺發(fā)育的階段。

賓夕法尼亞州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院和艾倫腦科學(xué)研究所的研究團隊繪制了小鼠大腦發(fā)育的詳細(xì)圖譜，為大腦發(fā)育提供了新的見解。圖片來源：Kim實驗室/賓夕法尼亞州立大學(xué)

Kim認(rèn)為，這一變化可能表明，小膠質(zhì)細(xì)胞會根據(jù)外部刺激（如視覺與聽覺）參與大腦的成熟過程。

此外，研究團隊還制作了一個公開可交互的在線數(shù)據(jù)庫，讓其他科研人員能夠瀏覽、分析和整合這些高分辨率的大腦發(fā)育圖譜。

“這項工作的真正意義在于，我們?yōu)榇竽X發(fā)育提供了一個空間框架?！盞im表示，“未來，其他研究者可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更高層次的綜合分析，將分子、細(xì)胞與空間信息結(jié)合起來，描繪出更完整的大腦發(fā)育全景?！?/p>

參考文獻(xiàn)：Josephine K. Liwang et al, epDevAtlas: mapping GABAergic cells and microglia in the early postnatal mouse brain,?Nature Communications?(2025).?DOI: 10.1038/s41467-025-64549-x

編輯：王洪

排版：李麗