大腦是人體最重要的器官，也可能是宇宙間最複雜的物體。在進化過程中，人類大腦的皮層顯著增大，為各種高級認知功能提供了結構基礎。解碼人腦的發育過程，將為我們理解“人何以為人”提供接近本質的答案。在探索人類大腦皮層為什麼能夠變得更大的問題時，人們常常把目光集中在神經元胞體集中的灰質區域。

實際上，大腦皮層的白質也在進化過程中劇烈增大。相比小鼠等囓齒類動物的皮層白質，人腦的皮層白質體積有其3000倍。

近日，頂尖學術期刊《細胞》在線發表了一項來自加州大學舊金山分校（UCSF）的研究論文，科學家們揭示出人類大腦在胚胎髮育過程中，白質區域如何擴張的重要機制。“這一發現能幫助我們更好地了解人類大腦的皮層發育，也為探索白質損傷相關疾病的發病機理和治療方法提供了依據。”這項研究的第一作者和共同通訊作者黃薇博士介紹。

本研究的兩位通訊作者：黃薇博士和Arnold Kriegstein教授（圖片來源：研究作者提供）

在大腦皮層中，白質是神經纖維束集中的區域，主要由帶有髓鞘的神經軸突組成，它們連接著大腦各個區域，對於大腦正常行使各種功能必不可缺。白質的損傷與多種疾病有關，在皮層發育異常導致的疾病中常見，嚴重時會導致腦癱。

而在白質中，少突膠質細胞（oligodendrocyte）扮演了極為重要的角色。這類細胞形成了包裹神經元軸突的髓鞘，促進神經信號的跳躍式傳導。它們也是白質中數量最多的細胞類型，在白質急劇擴張時滿足增加髓鞘形成的需求。

先前，一些科學團隊利用小鼠等動物為模型，對少突膠質細胞如何產生、分化等發育過程有了基本認識。然而，囓齒類動物的大腦結構畢竟與人類差別巨大，人腦中的少突膠質細胞有哪些特殊的發育性質？對這個問題的回答顯得尤為重要。這正是本次研究帶來的突破所在。

人類和小鼠在大腦結構上有巨大差異（圖片來源：MSU Human Brain Atlas， Brainmaps.org）

在這項工作中，研究人員利用細胞表面蛋白的抗體富集人類胚胎大腦皮層中的干細胞，並結合單細胞測序、腦片培養和實時顯微觀察等技術，實現了對人類皮層不同幹細胞進行類型特異性的熒光標記、譜系追踪和遺傳突變操作。

他們由此觀察到，靈長類動物中特有的一類膠質細胞，外側放射狀膠質細胞（oRG），不僅有助於在大腦灰質產生大量神經元，還為人腦白質提供了額外的少突膠質細胞來源。

此外，在妊娠中晚期，少突膠質前體細胞（OPC）會經歷連續的對稱分裂，以指數方式擴大自身數量，從而為產生大量少突膠質細胞做好準備。有趣的是，新產生的大量OPC還會相互排斥，朝相反方向遷移，達到了避免局部積累、確保廣泛分佈的效果。

研究作者總結說，額外來源、持續分裂和快速擴散三大性質，大幅度提高了少突膠質細胞的生成數量，從而促進大腦皮層的白質擴張。

本研究示意圖

值得一提的是，研究作者在論文的討論部分還指出，過去對於小頭畸形等皮層發育異常性疾病的研究往往集中於神經元，很少考慮膠質細胞的發育異常。“然而，我們的研究發現，臨床上報導過的致病基因不僅在神經元內表達，在少突膠質前體細胞中也有較高的表達水平。”黃薇博士說道，“這表明，膠質細胞在這些遺傳性疾病中的原發性作用值得注意。”