长期以来，科学家一直将大脑视为一个具有共同发育起源的单一器官。美国斯坦福大学领衔的一项新研究对这一基本假设提出了挑战，表明大脑实际上由两个截然不同的系统构成，这两个系统在数亿年的进化过程中是独立产生的。9月18日，相关研究成果发表于《自然-神经科学》。

人脑实际上可能是两个古老的神经系统融合而成的。图片来源：ScienceDaily

几十年来，主流模型认为整个大脑都由早期的祖细胞发育而来。根据这一观点，前脑、中脑和后脑都可追溯到同一个发育起点。而新研究发现了一幅截然不同的图景——人脑似乎结合了两个古老的神经系统。一个系统产生负责呼吸和心跳控制等基本功能的结构；另一个系统则产生与语言、数学、抽象思维以及自我反思等能力相关的脑区。

“我们首次证明，大脑前部与后部源自完全不同的祖细胞。”论文通讯作者、美国斯坦福大学副教授Kyle Loh说，“这一发现意味着，我们现在可以在培养皿中培养后脑神经元，并研究它们的功能。”

成年人的大脑分为3个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑支持许多人们通常与复杂思维密切相关的能力，包括语言、意识和抽象推理。后脑位于颅骨后部，通常被称为脑干。它有助于控制对生存至关重要的自动过程，包括呼吸、睡眠、心率调节和感受饥饿。后脑神经元还控制着面部、舌头和咽喉的肌肉，这些肌肉对说话和吞咽至关重要。

尽管后脑的作用至关重要，但科学家数十年来一直难以在实验室中培育人类后脑神经元。这一限制使得对涉及脑干的严重疾病研究变得异常困难。

关键发现来自研究人员对胚胎发育最早阶段之一的考察。在原肠胚形成期间，身体的基本结构开始成形。论文第一作者、斯坦福大学的研究生Rayyan Jokhai和Carolyn Dundes发现， 后脑并不是在产生前脑和中脑的发育通路的后期分支中形成的，相反，它从一开始就遵循独特的发育通路，与其他区域并行发育。

为探究这一过程，研究人员对发育中的小鼠胚胎进行了研究，并鉴定出两类不同的脑前体细胞群。其中一群细胞表达一种名为Otx2的基因，形成前脑和中脑；另一群细胞表达一种名为Gbx2的基因，发育为后脑。研究人员发现，即使在他们考察到的最早阶段，这两类细胞群也保持着独立，互不重叠。

当研究团队研究染色质—— 一种在细胞内包装DNA的物质时，这种区别变得更加明显。前神经外胚层与后神经外胚层具有根本不同的染色质构型，这些差异从一开始就使各类细胞走上了不同的发育路径。

这一发现还可能解释神经科学领域一个长期存在的问题，即为什么研究人员一直难以在实验室中培养某些脑细胞，并为研究涉及脑干的疾病开辟新途径，包括脊髓性肌萎缩症（SMA）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。

“此前试图培养后脑神经元的尝试，很可能都是试图将前脑和中脑的前体细胞诱导成后脑细胞，而我们的研究表明这是行不通的。”Jokhai说。

“在干细胞生物学领域，人们总是执着于生成最终的细胞类型，比如神经元。”Jokhai说，“但从胚胎发育的最早阶段入手至关重要。正因为我们对这一早期时间点给予了密切关注，才得以发现大脑发育中的这一根本性分化。”

在弄清后脑从一条独立的发育通路形成后，研究人员利用这一发现来解决一个重大的实验室难题。该团队首次成功诱导人类多能干细胞——一种能够分化为人体内任何细胞的细胞，分化为具有功能的后脑运动神经元。这些细胞产生了被称为动作电位的电信号，并合成了与后脑特定区域相关的蛋白质，这些区域负责控制面部和吞咽肌肉。

随后，研究人员从进化角度着手，试图探究这种发育分化可以追溯到多久之前。回顾超过5.5亿年的进化历史，，团队在鸡、斑马鱼甚至柱头虫身上发现了相同的“双起源”结构的证据。这些小型动物生活在海底，与人类拥有一个非常遥远的共同祖先。研究人员还注意到，约在7亿年前至6亿年前与人类分化的水母，拥有位于身体两端的两个神经系统。

这些发现提出了一种可能性——现代脊椎动物的大脑可能是进化过程中，将两个原本独立的神经系统在空间上紧密邻近而形成的。“这一发现让人惊讶不已。因为‘大脑’一词通常指代一个具有单一起源的器官。”Jokhai说，“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，这太神奇了。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41593-026-02433-7