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人类大脑为什么叠成核桃似的?

说到人类大脑,你一定能联想到这种坚果――核桃,它们的外形实在是太相似了,都有着层层叠叠的褶皱和深深浅浅的沟回,也难怪崇尚“以形补形”的中国人会认为“核桃能补脑”了。但是其实两者也不太一样。

如果你拿几个核桃来比较一下,会发现核桃的沟回是有差异的,它们长得并不一样,可是大脑却不是。科学家发现,人们的大脑长得都很相似,有的地方沟回很多,有的地方就相对平滑。看来,大脑也有一张“固定图纸”,如果有人的大脑不按“图纸”进行折叠,他们很可能患病。

大脑折叠的“图纸”

在生物的发展史上,神经系统是一种重要的演化。我们认为神经系统越复杂的生物,它的演化等级越高。除了极少数动物,比如海绵类外,几乎所有真核生物门的动物都具有神经系统,哺乳动物不仅具有神经中枢――大脑,还进化出了能思考的大脑皮层。但人类的大脑皮层还是很特别,其他动物的大脑都不像我们这样折叠成“核桃”,即使是人类的近亲猿猴,也不像我们的大脑这样“皱”。为什么我们的皮层尤其“皱”呢,是什么决定的?大脑的“图纸”是怎样的呢?

不用说,大脑的“图纸”就是基因,它指挥着大脑按固定的步骤进行折叠,其中有不同的基因参与大脑的折叠。德国马克斯普朗克研究所的研究人员发现了一种只在人类身上存在的基因,这种名为“ARHGAP11B”的基因会让人类大脑产生更多的脑细胞。当脑细胞越来越多,大脑装不下时,就会发生折叠。

然后,另外一些基因一步步指导大脑折叠。比如,德国马克斯普朗克研究所和德国莱布尼茨聚合物研究所的科研人员发现,大脑总是从拥有蛋白聚糖连接蛋白、基膜聚糖和胶原蛋白这三种蛋白质的脑细胞开始折叠,控制这三种蛋白质合成的基因标记着折叠的起点。

新西兰奥塔哥大学的神经学博士亚当・奥尼尔则找到了另一个基因――PLEKHG6,这个基因能指挥脑细胞在正确的时间生产,去到正确的位置。奥尼尔在实验室里改造了一个皮肤细胞,它原本应发育成手部皮肤,通过改变这个细胞的基因表达,它将发育成一个“微型大脑”。接着,奥尼尔使PLEKHG6基因失效,发现“微型大脑”中部分脑细胞并没有到达正确的位置,最终折叠出的“微型大脑”与正常大脑并不相同。

于是我们知道了,脑细胞的生产顺序和所处位置也有“蓝本”,脑细胞必须听从指挥,到达正确的位置,这样当大脑按照“先生产,先折叠”的规律进行折叠时,就会折叠出正确的形状。

折叠出错后果严重

正常人控制大脑细胞的基因是相似的,因此脑细胞生产顺序和所处位置能保持一致,这样不同人的大脑折叠后的形状就会很类似,但是如果基因发生了突变,大脑折叠形状变化了,发生精神疾病的可能性就会大大增加。

精神分裂症是一种较常见的精神疾病,表现为精神失常、妄想和感知扭曲等,但许多其他精神疾病也有这些症状,所以光靠这些症状很难确诊病人是否真的罹患精神分裂症。并且精神分裂症患者越早接受心理治疗或者药物治疗,其病情好转越快。因此如果有方法能更早确诊精神分裂症,将能大大提高该病治愈的可能性。

为此,许多科学家进行了这方面的研究。加拿大西安大略大学精神病学副教授莉娜・帕拉尼亚潘研究发现,对大脑进行核磁共振扫描,比较大脑褶皱形状,有利于精神分裂症的诊断。研究小组收集了瑞士123名测试者的核磁共振扫描数据,包括79名已表现出精神分裂症症状但还未确诊的潜在患者和44名健康人,结果发现他们的大脑折叠形状不太一样,在正常人褶皱较多的大脑区域,潜在患者的褶皱却很少,大脑皮层很平坦,而相邻区域则相反。4年后,参加过实验的79名潜在患者中的16人确诊了精神分裂症。如果4年前潜在患者们能根据大脑褶皱形状异常的体检结果进行预防,他们很可能不会发病。

我们的大脑皮层的脑细胞数量远远多于其他哺乳动物,这是我们智力突飞猛进的原因,但与此同时,数量大增的脑细胞和复杂的脑部结构也增加了我们患上精神疾病的风险。在了解大脑结构的基础上,早预防早治疗应成为我们应对风险的重要手段。