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腦,演化與學習_人腦新皮質的演化
by 陳怡蓁, 2012-08-30 11:22, Views(4225)

人腦新皮質的演化

The evolution of human neocortex:

an Evo-Devo perspective

      

    

2004年開始,台灣大學的腦神經科學從一盤散沙開始逐漸凝聚,2005年先成立校級的研究單位「台灣大學神經生物及認知科學研究中心」,促成了神經生物學與認知科學同仁之間的對話與互動,並利用五年五百億專款購置了Functional MRIPET等大型儀器,建立共用的Core Facility2009年校務會議通過成立Institute of Brain and Mind,將於2011年開始招生,而目前正致力整合台大醫院的腦神經相關臨床部門,希望成為一個台灣首見的完整Clinical Neuroscience Institute這三個單位形成了台大腦神經科學的鐵三角。李校長並聘請莊明哲院士來統籌領導已落實科際合作及國際交流,莊明哲院士以其聲望與廣大的人脈聘請了十餘位美國、英國及台灣的院士級學者來擔任李校長的「腦神經科學」顧問。59將舉行第一次的顧問會議,這些先進將對台灣大學的腦神經科學發展提出具體的建議。

努力耕耘者,將歡喜收割,今年台大在激烈的競爭中脫穎而出獲得國科會人文處兩億元經費建立neuroimaging core facility for humanity study。此一計畫將使台大的腦神經科學研究正式的從生物醫學、心理學延伸到人文科學與社會科學如哲學、教育、藝術、經濟。因此,59的國際研討會是台大腦神經科學繼往開來得一個重要標竿。

拜幹細胞之賜,再生醫學成為一股熱潮,不過其根本還是發育生物學。過去這是相當冷門深奧的領域,不過其重要性卻是不容忽視、不可或缺。有鑑於此,台大特聘請本校校友南加大的鍾正明院士為特聘講座教授來領導本校發育生物學及再生醫學的發展,以本校原有的跨科系「台大發育生物學及再生科學研究群」為基礎,近期將在校內成立一個校級的「台大發育生物學及再生醫學研究中心」,結合細胞、骨架及環境三方面的研究者並善用發育生物學的知識來為再生醫學做完整的探討。59的第一屆國際研討會是與國衛院合作,預定未來將每年由台大與國衛院輪流主辦,永續經營。

201059的這兩個研討會就是在這樣的背景產生。如前所述,這將是台灣大學科學發展得一個重要關鍵點,也期望本校師生踴躍參加,共襄盛舉,見證這歷史的一刻,並參與這兩個領域的成長。

 

為紀念這歷史的一刻本人特根據Pasko Rakic Evolution of the neocortex: a perspective from developmental biology撰寫人腦新皮質的演化一文此文內容涵蓋演化」「發育以及人類腦皮質」,正可彰顯201059的這兩個研討會International Symposium on Brain & Mind Science以及International Symposium on Developmental Biology & Stem Cell Research的性質並為台灣大學發展的關鍵時刻留下記錄。 

 

人腦新皮質的演化

 

 

人類的新皮質neocortex)是人類心智所在,也是演化的最高產物,然而對人腦新皮質如何演化而來却研究不多。

 

新皮質的演化雖然可以上溯到石炭紀的爬蟲類,但典型的新皮質具有層狀構造,其神經元呈柱狀排列却是在三疊紀(Triassic period)及侏儸紀之間發生的小型哺乳類才正式出現由於迄今發現的原始人類,我們只能看到空的頭骨,無法觀察其腦部組織,因此只能採用所謂“Evo-Devo(evolution-development)的方法來探討人腦的演化,也就是從不同哺乳動物腦部發育的過程來了解人腦的演化過去對腦部發育的研究多半是描述性的(descriptive現在却有微陣列晶片等工具來研究發育過程中基因表現的變化本文藉由對三種哺乳類腦部發育的研究來探討人類新皮質如何演化而來,分別是鼠類(Mus musculus),Macaque猴(Macaca mulatta)與人類(Homo sapiens)。鼠類與人類在九千萬到1億年前分歧,而Macaque與人類在25百萬年前分歧。這三種哺乳類並不是演化的三個不同階段而是演化上三個不同的方向。

 

哺乳類腦皮質的特點:

第一,所有哺乳類的腦皮質都是由細胞構成的薄層,內含投射神經元(projection neuronpyramidal neuron)以及局部迴路神經元(interneuron)。這些細胞做層狀分佈,其間有垂直或放射狀細胞柱(column)形成有組織的空間結構互相連結並且共用外來的聯結。掌管不同功能的區域具有不同的細胞空間結構,在人腦有50個以上細胞空間結構不同的細胞板塊區(cytoarchitectonic areas)。

第二,所有的神經元細胞並非原處産生,而是由transient embryonic zone也就是由側腦室附近的VZventricular zone)或SVZsubventricular zone)產生,然後沿著radial glial cell所形成的骨架(shaft)做切線方向(tangential)或放射狀(radial)的遷移(migration)。

第三,神經元細胞的遷移是“後來先至”(inside out),也就是較晚產生的神經元會超越較早產生的前輩移動到較外層,唯一的例外是新皮質的第一層。與鼠類不同的是哺乳類的第一層在corticogenesis的過程都一直有neurogenesis。在所有哺乳類包括人類所有的corticogenesis在出生前或出生時都已完成。為何神經元的遷移要“inside out理由迄今未明,不過這些遷移如果受基因或環境的影響而失序就會造成腦功能的異常。

人類藉著腦皮質的擴張爬昇演化的階梯

Enlargement of neocortex

人類的腦皮質演化的第一步其表面積的擴張而無厚度的明顯增加。鼠、猴、人的腦皮質面積約為1:100:1000,而鼠類與人類新皮質的厚度差最多約二倍,厚度的差別主要是神經元較肥大及細胞外空間的neuropile所致。

對於新皮質表面積增加而厚度不變的機制,有人提出radial unit hypothesis此一假說指出在neurogenesis開始前位於腦室區(VZ)的神經幹細胞(neural stem cell)進行對稱性分裂(symmetric division)使始祖細胞(founder cell)的數目呈現對數性的增加(exponential increase),形成放射狀的皮質圓柱(radial cortical cdumn),其後這些founder cell進行非對稱分裂(asymmetric division產生神經元先驅細胞(neuroprogenitor cells)這些neuroprogenitor cells繼續分裂並分化成神經元,使每個radial cortical column內的神經元數目呈倍數增加(linear increase)。據推測,在胚胎發育早期,VZ的細胞分裂若多進行七次,就可以使人的新皮質表面積擴張為鼠類的1000倍。在胚胎期人類額葉的雛形(primodium)比鼠與猴都來得大支持了此一假說。此一假說也認為founder cell形成的神經元會沿著radial glial cell形成的骨架遷移形成更多的column,如此使新皮質形成一個薄層(sheet)而非一團細胞的集合體。(圖一,圖二)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


圖一.Radial unit hypothesis :neurogenesis開始前位於腦室區(VZ)的神經幹細胞(neural stem cell)進行對稱性分裂(symmetric division)使始祖細胞(founder cell)的數目呈現對數性的增加(exponential increase),形成放射狀的皮質圓柱(radial cortical cdumn),其後這些founder cell進行非對稱分裂(asymmetric division產生神經元先驅細胞(neuroprogenitor cells)這些neuroprogenitor cells繼續分裂並分化成神經元,使每個radial cortical column內的神經元數目呈倍數增加(linear increase)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


圖二.所有的神經元細胞是由側腦室附近的VZventricular zone)或SVZsubventricular zone)產生,然後沿著radial glial cell所形成的骨架(shaft)做切線方向(tangential)或放射狀(radial)的遷移(migration)至新腦皮質。神經元細胞的遷移是“後來先至”(inside out)。後產生的(6)超越先產生(1) 。從CC, TR, NB, MA來的許多axonscortical plate neurons 連結VZ=ventricular zone, IZ=intermediate zone, SP=subcortical plate, CP=cortical plate, MZ=marginal zone, RG=radial glial cell, MN=migrating neuron, CC=cortico-cortical connection, TR=thalamic radiation, NB=nucleus basalis, MA=monoamine subcortical centers

 

不過這樣的形成機轉並不表示所形成的column都是一樣的,證據顯示column的大小與組成在不同物種之間與相同物種的個體之間均有所不同,亦即演化也造成不同species之間新皮質組成結構的不同

Experimental tests of radial unit hypothesis

在動物實驗上,我們可以讓neuron產生的數目增加,與我們的直觀不同的是:細胞數目的增加是經由cell cycle的延長而非縮短,對細胞生成數目要緊的是neural stem cell pool的大小以及有多少細胞離開cell cycle

實驗上若使轉殖鼠帶有β-cateninstabilized form,會使VZfounder cell數目大增,形成更多的radial column並且形成更複雜的convolution,與鼠類原來的平腦(lissencephaly)不同。雖然如此形成的腦皮質相當異常,但是其中確實有不少是呈現正常的層狀及放射狀結構而其厚度也相當正常。

CDKcyclin-dependant kinase)在發育後期會作用在neuroprogenitor cells,若使CDK的抑制劑P27過度表現則column淺層的神經元會變少,但整個新皮質的表面積却維持不變。

雖然β-cateninP27基因表現的改變不可能是造成腦皮質演化的原因,但改變這些基因的表現,然後觀察對腦皮質發育所產生的影響,可以讓我們對腦皮質發育的分子機制有所了解,並進而了解腦皮質的演化,這就是所謂的Evo-Devo reproach

 

Development of convolutions

當腦皮質表面積大為增加時,必然會產生捲摺(folding),捲摺的結果就形成盤繞卷曲(convolution( :convolution= fold or twist in something which has many of them)。

在哺乳類中腦皮質的convolutionspecies-specific也就是同一種屬的生物其convolution的形態是可以重覆的,而個體之間的變化也極小convolution的形成機制至今未明,convolution形成時中間必然會包夾一些intermediate zone,此區最終成為白質(white matter白質之內交織著數目極多的cortico-cortical connection,有人推測這些cortico-cortical connection形成的tract,其張力就是convolution能維持固定形態的原因。

 

Evolutionary adaptation of radial glial cells

在胚胎發育過程中,radial glial cell一方面做為neural stem cell,另一方面也以其骨架做為神經元細胞遷移的路徑。由於convolution的形需要許多長距離弧形遷移路線以及耐用的radial glal cell骨架,因此在靈長類的前腦發育時,許多radial glial cell會暫時停止分裂,而將其兩端的end feet支撐在ventriclepia之間。據估計,單一個radial glial cell可以供30個神經元細胞遷移之用。radial glial cell骨架的此一功能可能是演化上的一個適應俾使神經元能移動到擴張的腦皮質的適當位置。在人類及靈長類在胚胎發育中radial glial cell即表現出glial cell特有的glial fibrillaray acid proteinGFAP),而鼠類則在出生後方可見其表現,由此可見甚至像glial cell這種基本細胞在演化過程也會有不同的改變以適應convolution的形成。

 

Multiplication & elaboration of cortical map

Duplication through morphogenetic factors

在演化過程中功能不同腦皮質區以各自不同的速度擴張並且有新的功能區加入形成一個精細的嵌鑲體(elaborate mosaic)例如語言相關的BrocaWarricke區或是preferential granular cortex在鼠類均無組成或功能類似的區域。在演化上這種區域的特性到底從何而來?目前的共識是這種species-specific 的區域特色乃是源自在胚胎VZ處的neural stem cell不同的基因表現而此一訊息藉由遷移的分裂後神經元(postmitotic neuron)攜帶到腦皮質層。另外腦皮質的每一區域會吸引適當的input,而非由這些input決定他們的特性。後來由活動與經驗獲得的資訊再進一步改進已經生成的實觸連結(synaptic connectivity)。腦皮質的演化包括新的細胞結構板塊區(cytoarchitectonic area)以及感覺呈現(sensory representation)的複製(duplication)。

 

Decisions in the proliferative centers

一般認為腦皮質的區域化是由定型中心(patterning center)分泌出特定的分子如FGFFibroblast growth factorsWNTSWingless)以及BMPbone morphogenetic protein)來調控腦皮質區的位置及大小,例如白鼠前腦有一個anterior patterning center位於commissural plate,它分泌FGF 8FGF 17。雖然仔細的機轉還不明白,但干擾這些生長因子及其相關的訊號傳遞會引起腦皮質結構的改變,FGF的研究顯示一個單一分子表現的改變可以導致整個功能區的複製。從Evo-devo的角度也可以顯示演化上一個基因的突然改變,若能經過天擇的考驗而留傳怎麼樣改變腦皮質的結構。

 

More neuron, more connections:

只有神經元細胞結構板塊區及radial column數目的增加,絕不能解釋人類腦皮質功能的大幅變化,而必須牽涉到神經元連結的精進(elaboration of neuronal connections)。相當多的比較研究已顯示,雖然個體之間有其差異,但神經元連結的基本型式是species-specific並且highly reproducible在演化過程中,新增的神經元細胞也帶來新的連結方式,當然這些新的連結方式,必須要能經得起天擇的考驗,要特別強調的是這種species-specific固定型態的連結,它是由surface mediated attractioninnate activity dependent refinenient形成,與個體出生後的由環境experience-dependent synaptic plasticity是不同的,後者是不能遺傳因此不會直接對演化有所貢獻。

 

人類與鼠類的新皮質有以下不同

經過數千萬年的演化人類與鼠類的新皮質有以下不同:

1.    Subpial granular layer:

一百多年前Ranke發現人類胎兒腦部在軟腦膜表面(pial surface)下有一個顯著且體積甚大的一過性細胞群。它們於懷孕11周出現在人腦的marginal zone,在懷孕中期達到最高峰,出生後即消失。在猫及哺乳類的研究顯示此一subpial granular layer所產生的神經元可能下降到其下的發育中的cortical plate,它可能給某些發育中的皮質區帶來豐富的interneuron,例如primary visual cortex,由於此區有較鼠類大出甚多的layer IV

由於subpial granular layer在鼠類並未發現,故此一區域在哺乳類腦之演化上的來龍去脈值得深入探討。

 

2. Migration from the ganglionic eminence to the thalamus

40年前研究者發現人類特有的Corpus ganglioth thalamicum (CGT) ,這是在懷孕中期神經元細胞從ventral telencephalusganglionic eminence 遷移到diencephalondorsal thalamus此一體積甚大,而且相當容易辦認的雙極神經元細胞遷移活動,在鼠類、肉食類和新世界及舊世界的靈長類均不存在。最近的研究更能追踪這些細胞從ganglionic eminencedorsal thalamic association nuclei的遷移活動這些遷移細胞仰賴homotypic-neurophilic guidance,並且表現distal-less hemeobox 1 (CDLX1) DLX2 蛋白,這些蛋白能導引其tangential migration最後在dorsal thalamus形成GABAergic神經元,特別是在pulvinarmediodorsal nuclei這兩個nuclei解剖學上與掌管高等認知功能包括symbolic reasoning及語言有關的association neocortex關係密切。

上述這種人類特有的神經元細胞遷移可能是人類的thalamus為了接納從擴張中的association neocortex而來的日益增多的軸突,必須從附近細胞分裂活躍的ventral telencephalusganglioniv eminence徵召更多的神經元細胞,以取代日益枯竭的diencephalic proliferative VZ

  

3.    Two origins of cortical interneurons:

鼠類腦皮質的interneuron是來自於側腦室邊緣的lateral & medial ganglionic eminenceLGE & MGE)。這些神經元細胞從LGEMGEtangential migrationdorsal telencephalon

人類腦皮質的interneuron則有兩個來源,一個是來自lateral ganglconic eminence遷移至diencephalon,另一個來源則是從SVZVZ發生遷移到cortical plate成為interneuron

 

4. Predecessor neurons

Predecessor neurons是最新發現的人類獨有神經元細胞。這些巨大細胞在懷孕的第一個月末期出現在人類的前腦,此時dorsal telencephalonVZSVZ尚未開始進行neurogenesis

Predecessor cells表現出TU20以及T-box brain gene 1TBR1),他們有很久的水平觸手(long, horizontal process)在前腦雛形(forebrain primodium)形成廣泛的網路。有人認為這些predecessor cell可能是一種暫時性的細胞,它們會參與決定大腦皮質內功能性radial units的數目,目前我們必須確立在non-human primate是否有此類細胞的存在,若有的話就可以積極研究其功能。

以上所述腦皮質的演化,其根本原因可能是因為基因突變,新基因的引入,新增的發育機轉及細胞與細胞的互動(cell-cell interaction),在演化的巨輪下,形成的新產物。最近的研究發現預定遷移到layer Vpyramidal cell其命運在VZ的最後一輪細胞分裂時已經註定。從鼠類的研究顯示前述這些演化上的新猶可能源於在神經元繁衍的VZ所發生的某一個基因突變改變了neural stem cell的命運而造成腦皮質的演化。

 

Small is big: genetic difference

雖然人類與non-human primate如黑猩猩的genome只有1%左右的差別,但人腦卻有其他動物完全沒有的構造,如prefrontal cortex,以及與說話和語言處理有關的perisylvian area,在人類發育過程,這些區域有比其他動物好幾倍大的subplate zone,其內充滿了multiple neuron以及incoming waiting thalamic axons此區的成熟也較其他區域來得晚,這些區域正是人類獨有的心智能力之所在。

因此,為何genome上僅僅1%的不同却會造成腦部發育上如此巨大的差異就是對研究者最大的挑戰。

 

Region specific differential gene expression

Microarray是了解腦部發育分子機轉的利器,過去所做的micro array研究都是針對老年人的腦或是比較有病與健康者的腦部基因表現,直到最近才有針對人類胎兒腦部的microarray研究,此研究針對左右腦半球各13個腦區,其中包括了prefrontal cortex的不同區域以及橫跨temporalparietal association areaperisylvian cortex。此一研究顯示不同區域有著相當大的基因表現差異以及不同的splicing form

最大的基因表現差異當然是在prefrontal以及non-frontal area而在perisylvian areas,包括將來的Broca’s, Geschwind’s以及Wernicke’s area,則有共同的基因表現型式。perisylvian area雖然橫跨三個腦葉,但都與說話及語言功能相關。

令人注意的是,將來的Broca’s area的基因表現型式與運動區的相似度超過prefrontal cortex。左腦與右腦的Broca’s area其基因表現並無明顯差異,顯示人類的左右不對稱可能如前所預測的發生在更早的發育階段。

最近的研究顯示人類腦皮質的基因表現較諸鼠類有10倍或更高的差異,例如與自閉症與語言障礙有關的基因CNTNAP2contraction associated protein-like 2)在人類的orbital prefrontal cortex有選擇性的高度表現。此區與人類社會行為的規範有關,鼠類的homologue-Cntnap2在鼠腦發育的任何階段都無跡可循,此一例子顯示這些特別的腦部結構與基因表現型式給了人類特殊的能力如語言,但也與自閉症有關。這些情況無法以鼠類模式來研究,將來進一步地對人類胎兒腦部的基因表現做網絡分析(network analysis),並與鼠類互相比較,可能會對腦部的演化帶來新的曙光。

 

結論

經由Evo-Devo approach,也許終將讓我們釐清人類如何經由腦皮質的擴張與精緻化登上了宇宙的舞台。

根據近來在不同哺乳類所做的描述性與實驗性研究,我們可能開發出實用的模式來闡述基因突變如何在演化過程中影響神經元的數目,調控他們的遷移及形成新的腦區,新的連結而且具有特別的neurotransmitterreceptor

近來鼠類腦部研究的重要發現在進行臨床實驗却往往慘遭失敗,其原因可能是忽視了物種之間演化上的差異。不過利用Evo-Devo approach來研究腦皮質神經元生成(cortico-neurogenesis)不僅對解決人類認知功能異常具有急迫的重要性,也可能對人類如何可以演化成為對自己命運的主宰提供一些線索。

 

 

取材文獻

 

Rakic P :Evolution of the neocortex: a perspective from developmental biology. Nature Reviews Neuroscience 10:724,2009