因“在滅絕的古人類基因組和人類進(jìn)化方面的發(fā)現(xiàn)”，2022 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)單獨(dú)授予瑞典科學(xué)家斯萬特·帕博（Svante P??bo）。在帕博的研究中，基因測序是一個(gè)重要工具。而在耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)系博士后馬少捷的最新 Science 一作論文里，也使用了相似的基因測序手段解析了人類大腦的進(jìn)化。

圖 | 馬少捷（來源：馬少捷）

研究中，他和同事測量了 4 個(gè)物種的超 60 萬個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，累計(jì)發(fā)現(xiàn) 114 種細(xì)胞類型。雖然其中 109 種是四個(gè)物種中共同存在的，但是他們發(fā)現(xiàn)了一種人類特異的細(xì)胞類型以及多個(gè)人類特異表達(dá)的基因，這有助于進(jìn)一步了解神經(jīng)精神疾病的相關(guān)機(jī)制。

該研究想回答的問題，是領(lǐng)域內(nèi)一直懸而未決的問題，也是很多科學(xué)家努力多年想解決的問題：人類特化的機(jī)制是什么？即經(jīng)過漫長的進(jìn)化歷程，人類發(fā)展出了語言、抽象思維、高級認(rèn)知和復(fù)雜的社會行為，這些都是其它物種、包括和人類親緣關(guān)系很近的靈長類，所不具備的特征。

那么，人類這一切獨(dú)特變化產(chǎn)生的機(jī)制是什么？目前人們對于這一問題仍然知之甚少。但是，有一點(diǎn)是毋庸置疑的，大腦是這一切高級智能的中心。

馬少捷目前所在的實(shí)驗(yàn)室致力于該問題的研究。即通過比較人類和其他物種，特別是其他靈長類物種的大腦，找出人類特有的變化，以此闡明人類的高級認(rèn)知功能的形成機(jī)制。

大腦是一個(gè)非常復(fù)雜的器官，可以細(xì)分成 200 多個(gè)腦區(qū)。如此復(fù)雜的系統(tǒng)，該如何入手研究呢？在眾多的腦區(qū)中，前額葉皮質(zhì)是非常重要的腦區(qū)，它占據(jù)了大腦額葉（位于腦的前半部分）約 2/3，被認(rèn)為是人類高級認(rèn)知功能的中心。

該腦區(qū)也和多種神經(jīng)精神疾病相關(guān)，包括精神分裂、自閉癥、癲癇、阿爾茲海默等。此次研究關(guān)注的是前額葉皮質(zhì)的背外側(cè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域是屬于靈長類特有的區(qū)域，在其它物種，比如常見的小鼠模型中，這個(gè)區(qū)域并不存在。

另外，大腦各個(gè)腦區(qū)不是獨(dú)立工作的，而是通過各種連接進(jìn)行信息的交互，這也是認(rèn)知形成非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)。該團(tuán)隊(duì)所關(guān)注的腦區(qū)，也和其他多個(gè)腦區(qū)有著豐富的連接。基于以上這些原因，研究人員認(rèn)為這一腦區(qū)是解析認(rèn)知功能一個(gè)非常好的著眼點(diǎn)。

跨物種的比較分析，是該課題組的主要研究手段之一。研究中，其選取了四個(gè)代表性的靈長類物種：人類、黑猩猩、恒河猴和狨猴。

黑猩猩是目前仍存在的、和人類親緣關(guān)系最近的物種之一。如果把人類和一個(gè)親緣關(guān)系非常遠(yuǎn)的物種比如細(xì)菌相比，肯定能發(fā)現(xiàn)很多差異。但是，這其中只有很少一部分能真正代表人類特異的變化。因此，才在研究中加入了人類的近親黑猩猩。

另一方面，如果只有親緣關(guān)系近的物種，那么可能存在如下情況：人類和黑猩猩以及其他親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)的靈長類的共同祖先中，可能存在著某種性狀。

比如，表達(dá)了基因 A，但是該基因表達(dá)在進(jìn)入人和黑猩猩的分支時(shí)，可能只在黑猩猩中丟失了，而在人類、以及尚未進(jìn)入人和黑猩猩的分支中卻仍然存在。也就是說，這個(gè)基因的表達(dá)并不是一個(gè)人類特有的特征。

基于此，研究中又加入了兩個(gè)和人類親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種：即恒河猴和狨猴，來作為外類群。從而讓跨物種比較分析更具可靠性，以便找到人類特有的變化。同時(shí)，這兩種猴子物種也是常見的實(shí)驗(yàn)室模式生物。

（來源：Science）

測量 4 個(gè)物種的超 60 萬個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組

前面提到，基因方法是完成此次成果的“利器”。具體來說，該研究開展得益于一項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)與運(yùn)用——單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析。轉(zhuǎn)錄組分析是一種能同時(shí)檢測細(xì)胞里成千上萬個(gè)基因表達(dá)的技術(shù)，它給腦科學(xué)研究帶來了革命性的突破。

在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)之前，轉(zhuǎn)錄組分析基本都是對于某一塊組織勻漿水平的測量。組織內(nèi)部是很復(fù)雜的，比如有很多種不同類型的細(xì)胞，不同細(xì)胞類型也有著不同的基因表達(dá)特征，這導(dǎo)致對于組織水平的轉(zhuǎn)錄組測量，其實(shí)是很多東西雜糅在一起的平均結(jié)果。

好比一個(gè)黑盒，很難準(zhǔn)確知道組織內(nèi)部到底是什么樣子。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，顧名思義，該技術(shù)可以同時(shí)測量單個(gè)細(xì)胞內(nèi)成千上萬個(gè)基因的表達(dá)水平，而且可以一次檢測成千上萬個(gè)細(xì)胞。而本次研究一共測量了四個(gè)物種、共計(jì)超過 60 萬個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。

獲悉每個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組，到底有何好處？一方面，基于基因表達(dá)的高低，可以推測細(xì)胞的類型。大腦里面有很豐富的細(xì)胞類型，比如神經(jīng)元有些類型可以投射到其它腦區(qū)，有些只能在局部區(qū)域投射。

同時(shí)也有一些支持細(xì)胞，比如小膠質(zhì)細(xì)胞，其作為大腦特異的免疫細(xì)胞，可以維持神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

在測量了幾十萬個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組之后，即可了解人類和其他靈長類的大腦中有什么樣的細(xì)胞類型、以及是否存在一些人類所特有的細(xì)胞類型。

另一方面，基于細(xì)胞類型的區(qū)分和物種間轉(zhuǎn)錄組的相似性，可以找到物種間同源的細(xì)胞類型，從而在同一種細(xì)胞類型中，比較人類和其他靈長類的基因表達(dá)差異。

“打個(gè)比方，這就保證了我們是在做蘋果與蘋果、香蕉和香蕉之間的比較，而不是蘋果和香蕉之間的對比?！瘪R少捷說。

（來源：Science）

研究中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了很多物種特異的變化，包括人類特有的變化。那么，回到之前提的問題，人類是否存在一些特異的細(xì)胞類型？

答案是肯定的。本次研究一共發(fā)現(xiàn) 114 種細(xì)胞類型，其中 109 種是四個(gè)物種中共同存在。由此可見，雖然是不同的靈長類物種，但是它們前額葉皮質(zhì)中確有著非常相似的一套細(xì)胞類型。

另據(jù)悉，課題組還發(fā)現(xiàn)有一種類型的小膠質(zhì)細(xì)胞，只存在于人類的大腦中。

人類的生活環(huán)境、以及生活方式，和其他靈長類差異非常大。而膠質(zhì)細(xì)胞對于外界環(huán)境的變化又非常敏感，所以它的存在很可能代表了人類特有的一種免疫反應(yīng)，以維持大腦的內(nèi)部穩(wěn)態(tài)。

因此，小膠質(zhì)細(xì)胞的這一物種間差異，可被看成是所有膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)化的一個(gè)縮影。同時(shí)，此次研究還發(fā)現(xiàn)在參與實(shí)驗(yàn)的物種之間，膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)出了最明顯的基因表達(dá)差異，比各種神經(jīng)元細(xì)胞型的物種差異都要明顯。

既然人類和其它物種的細(xì)胞類型如此相似，那么這些同源的細(xì)胞類型的基因表達(dá)層面有什么差異？

這里就要提到另一個(gè)發(fā)現(xiàn)：即一種人類前額葉皮質(zhì)中的神經(jīng)元，可以表達(dá)多個(gè)多巴胺信號通路的基因，包括多巴胺的合成酶、轉(zhuǎn)運(yùn)酶和與之結(jié)合的受體基因。

（來源：Science）

盡管該類型的神經(jīng)元在其它三個(gè)物種中都存在，但是這些多巴胺信號通路的基因并不都在其它物種中表達(dá)。這說明人類的這類神經(jīng)元很可能產(chǎn)生了一些獨(dú)特的進(jìn)化，使其具備了分泌多巴胺的功能。

多巴胺這種神經(jīng)遞質(zhì)，很多時(shí)候被公眾認(rèn)知為一種愛情激素，在戀愛的時(shí)候大量分泌。事實(shí)上，它和大腦的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制也很相關(guān)，在學(xué)習(xí)和認(rèn)知中有非常重要的作用。很多疾病比如帕金森綜合癥和精神分裂癥，都和多巴胺的水平異常有很大關(guān)聯(lián)。

相較于其他眾多靈長類，在人類的前額葉皮質(zhì)里，有比較高的、從其它腦區(qū)傳入的多巴胺信號。此次研究發(fā)現(xiàn)的這種人類特有的、前額葉皮質(zhì)神經(jīng)元分泌多巴胺的特征，可能會進(jìn)一步增強(qiáng)前額葉皮質(zhì)的多巴胺信號，從而為人類的高級認(rèn)知打下基礎(chǔ)。

另一個(gè)人類特有的基因表達(dá)的例子，是一個(gè)跟語言相關(guān)的基因 FOXP2。當(dāng)該基因存在突變時(shí)，人就會患上言語障礙。同時(shí)，這個(gè)基因也和多種神經(jīng)精神疾病相關(guān)。然而該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它只表達(dá)在人類的小膠質(zhì)細(xì)胞中，卻不在其它物種的小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。

（來源：Science）

這一方面說明小膠質(zhì)細(xì)胞對于維持大腦穩(wěn)態(tài)尤為重要，另一方面也說明有些人類特有的基因表達(dá)，可能也會讓人類相比于其它物種，更容易產(chǎn)生神經(jīng)精神疾病。

最后，回到剛開始的問題。到底是什么樣的機(jī)制，讓人類具有這些區(qū)別于其它物種的特質(zhì)？可以預(yù)見的是，未來很長時(shí)間內(nèi)學(xué)界都將持續(xù)探索。

“我想，我們的研究價(jià)值在于，為這份科學(xué)研究的拼圖拼上了一小塊，為后續(xù)的拼圖提供了一些思路。”馬少捷說。

總結(jié)來說，此次研究通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，分析了人類和其他靈長類的背外側(cè)前額葉皮質(zhì)，并比較了人類和其他物種的細(xì)胞和基因表達(dá)水平的差異。

日前，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在 Science[1]。論文題為《靈長類動物背外側(cè)前額葉皮層的分子和細(xì)胞進(jìn)化》（Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）

馬少捷和馬里奧·斯卡瑞卡（Mario Skarica）擔(dān)任共同第一作者，耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系教授內(nèi)納德 ·塞斯坦（Nenad Sestan）、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系教授安德烈·MM ·索薩（André M. M.Sousa）、耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系教授斯蒂芬·M· 斯特里特馬特（Stephen M. Strittmatter）擔(dān)任共同通訊作者。

評審專家給出了如下評價(jià)：

首先，目前關(guān)于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平的跨靈長類比較分析寥寥無幾，這篇論文算是該領(lǐng)域研究邁出的第一步，也是影響深遠(yuǎn)的一步。

其次，他們贊揚(yáng)了研究人員對于靈長類前額葉皮質(zhì)的細(xì)胞類型的解析，并稱贊這同時(shí)揭示了眾多進(jìn)化中保守和物種特異的變化。

另外，他們也肯定了此次工作的全面性和詳細(xì)程度，不僅工作量大、涉獵廣，而且很多方面都并非停留在表面。

最后，他們認(rèn)為這一工作既給未來前額葉皮質(zhì)的研究提供了非常好的資源，也為后續(xù)了解人類大腦進(jìn)化的研究提供了更多方向和靈感。

此次論文能被 Science 收錄，也受益于課題組此前的積累。實(shí)驗(yàn)室之前的兩篇Science論文，從組織水平比較了物種之間的基因表達(dá)差異。

在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄技術(shù)得到推廣之后，該團(tuán)隊(duì)立刻將這一技術(shù)應(yīng)用到此次研究中。順利投稿的背后是研究者的共同付出。論文的作者非常多，其中也包括中國學(xué)者所貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)、分析、以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

就應(yīng)用前景來說，一方面，此次研究發(fā)現(xiàn)了在神經(jīng)精神疾病基因中，人類特有的表達(dá)模式。在未來的疾病研究中，如果涉及此類基因，可考慮運(yùn)用一些人類實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而更好地模擬該基因在相關(guān)疾病中的作用。

事實(shí)上，這類情況并不罕見。有時(shí)在其它動物模型中的發(fā)現(xiàn)，可能并不適合臨床應(yīng)用。這或許是因?yàn)槲锓N之間的差異，尤其是人類特有的變化，導(dǎo)致其它動物模型有時(shí)無法完全模擬疾病機(jī)制。

另一方面，在大數(shù)據(jù)時(shí)代的當(dāng)下。未來的腦科學(xué)一定會整合類型更豐富的數(shù)據(jù)，來更好地了解大腦的工作機(jī)制。

而此次研究恰好展示了如何基于轉(zhuǎn)錄組的分析，來了解大腦的細(xì)胞類型、進(jìn)化和功能。后續(xù)，再結(jié)合多維度的數(shù)據(jù)，即可更全面、更深入地了解大腦中細(xì)胞的功能、以及它們進(jìn)行信息交互的原理。

但是投稿也并非“絕對”的順利。2022 年 2 月，課題組準(zhǔn)備投稿的前一天，馬少捷和導(dǎo)師、以及其他合作者一直遠(yuǎn)程開會到深夜，確認(rèn)了論文沒有問題之后才投出去。

有趣的是，第二天一大早就收到了編輯發(fā)來的郵件——把稿子退回來了。“這可能是我們經(jīng)歷最快的'拒稿’。編輯希望大幅縮減文章篇幅，后來刪減了將近一半的內(nèi)容，才勉強(qiáng)達(dá)到最高字?jǐn)?shù)的要求。即使這樣，終版論文也有 8000 字正文、以及將近 100 頁的論文補(bǔ)充材料。期間我更加體會到做科研需要踏實(shí)細(xì)致和考慮全面。科研工作者所做的工作，遠(yuǎn)比見刊論文上呈現(xiàn)的多得多?！瘪R少捷說。

希望“為未來國內(nèi)的腦計(jì)劃相關(guān)研究貢獻(xiàn)自己的綿薄之力”

而他能有今天的成果，也和自本科起的積累息息相關(guān)。其本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大二就開始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)他師從于該校生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的謝志平研究員團(tuán)隊(duì)，主要研究細(xì)胞自噬。

細(xì)胞自噬，顧名思義指的是一些細(xì)胞分解部分內(nèi)部組成的生物學(xué)過程。該途徑可以給細(xì)胞提供營養(yǎng)、維持穩(wěn)態(tài)，因此也和多種疾病以及長壽息息相關(guān)。

本科期間，馬少捷和所在團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的非經(jīng)典的細(xì)胞自噬途徑，并且解析了該途徑多個(gè)關(guān)鍵的基因，其也作為共同第一作者將論文發(fā)表于 BMC Biology 雜志。

后來，來到耶魯大學(xué)讀博，師從內(nèi)納德·塞斯坦教授，主要研究是人腦的發(fā)育與進(jìn)化，致力于進(jìn)一步解析人類獨(dú)有的區(qū)別于其它物種的分子機(jī)制。

2022 年 5 月，馬少捷獲得耶魯大學(xué)遺傳學(xué)博士學(xué)位，并繼續(xù)在同一實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博后和生物信息組負(fù)責(zé)人。近期，他正在準(zhǔn)備另一篇計(jì)劃投稿到 Science 的論文。

事實(shí)上，后續(xù)該團(tuán)隊(duì)還有很多研究方向。第一，此次研究發(fā)現(xiàn)了很多人類特有的基因表達(dá)變化。那么一個(gè)直接的問題是：什么樣的 DNA 水平調(diào)控機(jī)制讓人類有了這些變化？

我們知道，人類和其它物種的 DNA 序列是不完全一樣的，所以是否因?yàn)樾蛄胁町悓?dǎo)致某個(gè)基因更容易在人類中表達(dá)？

其次，DNA 的開放程度也存在物種差異。比如，人類中的某些特異調(diào)控機(jī)制讓某段基因片段更加開放，從而讓其它調(diào)控因子更容易地結(jié)合到這一區(qū)域，進(jìn)而開啟基因的表達(dá)。那么，到底為何有這種差異？

為了解析這些問題，該團(tuán)隊(duì)會引入跨物種多組學(xué)的分析。未來在同一個(gè)細(xì)胞類的研究上，將不再僅僅測量基因表達(dá)，還會測量 DNA 的開放程度。這樣，就能把 DNA 水平的信息和基因表達(dá)信息直接關(guān)聯(lián)，并找出其中的調(diào)控機(jī)制。

第二，此次研究發(fā)現(xiàn)的人類特有的基因表達(dá)，會產(chǎn)生哪些下游的影響？比如，人類神經(jīng)元表達(dá)了一種特定的離子通道蛋白，那么它的存在是否會改變該細(xì)胞的電生理特性，從而影響神經(jīng)元相關(guān)的信息傳輸？

類似的，人類特定表達(dá)了一種神經(jīng)遞質(zhì)，可以想象為這是細(xì)胞間交流的一種分子。所以，它的存在就會影響細(xì)胞之間的交流方式，也可能會讓分泌該物質(zhì)的細(xì)胞與其它細(xì)胞產(chǎn)生新的交流?；诖耍罄m(xù)馬少捷和同事將通過多種實(shí)驗(yàn)，來了解這些人類特有的基因表達(dá)所產(chǎn)生的細(xì)胞與生理的作用。

對于更遠(yuǎn)的未來，他表示：“我希望結(jié)合濕實(shí)驗(yàn)和生物信息學(xué)分析來進(jìn)一步解析大腦的發(fā)育、進(jìn)化、功能和疾病的分子機(jī)制，為未來國內(nèi)的腦計(jì)劃相關(guān)研究貢獻(xiàn)自己的綿薄之力?！?/span>

參考資料：

1.Ma, S., Skarica, M., Li, Q., Xu, C., Risgaard, R. D., Tebbenkamp, A. T., ... & Sestan, N. (2022). Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex. Science, eabo7257.