人类的大脑发育异常缓慢——许多神经科学家推测这一特征与我们独特的智力有关。但是，人类神经元如何以及为什么需要数年才能生长，而老鼠神经元的生长时间仅为几周，这一点至今仍不清楚。根据1月26日发表在《科学》杂志上的一项研究，现在，科学家们已经揭开了这个谜题的一部分:神经元的生长是由线粒体的代谢调节的。这一发现不仅有助于回答有关大脑发育的基本问题，该研究的作者表示，它还可以拓宽发育障碍的治疗选择。
范德比尔特大学(Vanderbilt University)的生物学家和神经科学家苏珊娜·赫库拉诺-乌泽尔(Suzana Herculano-Houzel)没有参与这项研究，她说:“这是我最近读到的最令人兴奋的研究。”“它为我们找到答案开辟了一条道路，对我来说，我们最大的问题之一是:是什么让不同的大脑不同?”
对于资深研究作者、发育生物学家皮埃尔·范德海根(Pierre Vanderhaeghen)来说，人类神经元长时间生长的根本原因长期以来一直遥不可及。大约十年前，他和比利时布鲁塞尔自由大学的同事们将人类皮层神经元植入老鼠大脑，希望它们生长得更快。但令他们惊讶的是，人类神经元在移植后仍然生长缓慢。范德海根还在法兰德斯生物技术研究所和鲁汶天主教大学工作，他解释说，这表明神经元冰川生长的原因是神经元本身固有的，而不是来自周围大脑信号的结果。
此外，他和他的同事当时注意到，神经元的每一个方面，从树突到突触再到轴突，都是同步生长的，这表明这种生长是由细胞中普遍存在的基础成分调节的。其他研究认为，线粒体可能在细胞发育过程中发挥着重要作用。因此，他和他的团队开始研究线粒体是否参与调节神经元生长。
不过，首先，他们需要确保他们能够准确地确定任何给定神经元的年龄。知道神经元的年龄对于测量其随时间的生长是至关重要的，但是得到每个神经元的确切出生日期几乎是不可能的，范德海根解释说，因为神经元的发育速度并不相同，即使它们的原始干细胞是同时产生的。然而，干细胞只有在启动子NeuroD1被激活后才能成为神经元。因此，Vanderhaeghen和他的同事们想出了一种基因工具，它使用一种被称为CreER的工程重组酶来识别NeuroD1何时被激活，并立即标记神经元——本质上是标记它的“诞生”。有了确定神经元年龄的能力，Vanderhaeghen和他的团队就可以开始测试线粒体对神经元生长速度的影响。
范德海根说，最初，研究小组检查了线粒体形态和遗传学。但他们一时兴起，也决定观察细胞器的呼吸速率——基本上，它们消耗多少氧气，这也是它们产生多少细胞燃料的一个衡量标准。在小鼠出生后的前20天，他们用氧描记术监测小鼠神经元的摄氧量，并惊讶地发现，两周后，神经元的耗氧量增长到人类神经元的近十倍。
范德海根说，从那时起，一切都井然有序。研究小组知道他们可以通过药物控制线粒体呼吸，所以他们在体外加速了人类皮质神经元的代谢。范德海根回忆起在实验室里观察神经元的那一刻;在几周大的时候，加速的皮质神经元比正常的人类神经元成熟得多。“对我们来说，这是一个重大的顿悟时刻，”他说。“我们当时想，‘就是这样了。’”
科学家们在体内测试了同样的原理，加速人类神经元的线粒体代谢并将其植入小鼠体内，同时在培养物和小鼠大脑中减慢小鼠神经元的线粒体代谢。大脑内外的结果一致:代谢率增加的人类神经元比正常情况下生长得更快，而线粒体代谢率降低的小鼠神经元生长得更慢。
许多科学家认为，人类大脑的缓慢发育是我们拥有独特心智能力的部分原因。Vanderhaeghen认为，了解新陈代谢调节因子可以减缓或加速这种生长，将有助于进一步研究是什么使我们成为人类。他补充说，有一天，针对线粒体代谢的治疗可能会被考虑用于治疗一些发育障碍，这些障碍可能是由大脑发育过快或过慢引起的。然而，他强调这项研究仅仅是个开始。他说:“如果我认为线粒体是解决与发育时间有关的问题的(唯一)解决方案，那我就太天真了。”“线粒体只是一种机制，可能还会有许多其他机制。”
尽管如此，Herculano-Houzel对这项研究的进展感到兴奋。“这就是优秀科学的定义:你回答了一个问题，却引出了十个你不知道的新问题，”她说。“如果你玩弄发育中的大脑中的能量转移，会发生什么?”你会直接影响大脑的大小吗?你会影响产生多少神经元吗?这些都是基本问题，现在都可以问了。”
