成年人的大脑里面还有没有神经干细胞存在,这些神经干细胞是否还能继续生成新的神经元?过去10多年,业内人普遍认为,存在;然而,近几年的一些研究却认为,不存在。一般来说,证明存在,比较简单;证明不存在,可能工作量就比较大,需要更严格的鉴定标准,经得起统计学方面的考验。
无论如何,当神经发育结束后,成熟的人类大脑一共有大约800亿神经元和800亿神经胶质细胞,要在所有这些细胞中寻找神经干细胞,是很有挑战的。
成年人大脑中是否有神经干细胞,科学家关注这个问题,有两个简单的理由。首先,如果成年人的大脑中还存在着神经干细胞,并且能够通过某种方法刺激这些神经干细胞分裂增殖,并重新分化为神经元,可能是一种非常有效的治疗神经损伤和神经退行性疾病的新疗法。
神经元受到损伤或疾病侵扰后会死亡。许多神经退行性疾病,如阿尔茨海默症,帕金森综合症等疾病,主要病理后果是神经元的死亡。神经元的死亡是导致认知功能下降的主要原因。因为神经元无法重新分裂产生新的神经元,目前针对人类大脑损伤或者神经退行性疾病,基本缺少有效的治疗方法。
另外,过去大概20年,许多实验室研究了成年小鼠大脑中神经干细胞的功能。他们发现,在成年小鼠大脑中的海马区部位有不少的神经干细胞。
这些成年神经干细胞与神经发育期间的神经干细胞相似,可以继续分裂,产生更多的神经干细胞,同时也可以分化成神经元和神经胶质细胞,且分化后的神经元可以整合到已经形成的神经环路中发挥功能。另外,其他一系列研究表明,如果对小鼠进行运动或智力训练,小鼠的许多高级认知功能,如学习和记忆能力,就会有明显增加。
大家一致认为,小鼠大脑中的海马区域是负责学习和记忆的关键脑区,进一步的研究表明,在海马区域的神经干细胞对小鼠认知功能的提高起着非常重要的作用。基于这些研究结果,大家认为,成年动物大脑中存在的神经干细胞及其产生新生神经元的能力,也是大脑神经可塑性的一个重要组成部分。由此推断,如果成年人的大脑中也存在类似的神经干细胞,也可以通过运动或者智力训练来增加自己的认知能力,或者说变得更加聪明。
人类大脑的样品主要有两个来源, 最常见的是由死者家属捐献的大脑组织。另外,部分患有脑部疾病的病人在治疗过程中需要做部分脑组织切除手术,切除出来的大脑组织,经病人及其家属同意,也是样品的另一个主要来源。由于样品来源的特殊性,对样品进行任何预处理的可能性虽然有,但是很低。总结下来,目前大概有以下几种方法寻找并鉴定人类大脑神经干细胞。一是,直接寻找神经干细胞。
成年的神经干细胞与胚胎发育期间的神经干细胞基本类似(包括特异性蛋白,所处脑区,和转录组特征等)。神经干细胞可以分裂,且含有一些在神经干细胞中相对特异表达的蛋白质(标志蛋白)。其次,可以寻找由神经干细胞分化而产生的新神经元。与原有的老的神经元相比,这些新生成的神经元也表达一些相对特异的标志蛋白。
第三种是首先通过标记物来标记所有正在分裂的细胞(如Brdu, Bromodeoxyuridine, 中文名是溴脱氧腺苷。它是DNA中脱氧胸苷的类似物,可以在细胞分裂时参入新和成的DNA中,常用于检测分裂的活细胞),然后过一段时间再寻找含有这些标记物、同时也表达神经元特异性蛋白的细胞。这类细胞就是由神经干细胞分化而产生的神经元。以上三种方法主要是通过抗体染色实验完成的。
最后,通过对大脑特定区域的细胞进行单细胞测序,可以得到每个细胞样品的转录组数据库。通过对该数据库进行生物信息分析,可以帮助我们鉴定具有神经干细胞转录组的细胞。
单细胞(核)mRNA测序也不是完美无瑕的,通常缺点恰恰出自优点。单细胞测序同样依赖先验知识来给细胞身份赋值定性。分析的时候选定几个参数之后,聚类是可以由计算机自动计算完成的。
但是把每个cluster认定成什么细胞类型、亚型、状态,仍然是需要人为依照先验标志去赋值。打个比方,如果蒙上眼睛去摸比如20万只动物,每个有3、4千特征值(甚至多些达到上万个特征),就可以把比如大象分成一堆,长颈鹿,绵羊,猫狗,禽类,鱼类各自成堆,分析的细一些还可以把猫和狗,鸡鸭鹅继续分开。我们之所以能够身份赋值成功,是因为先验知识,我们本来就认识这些动物。
试想如果我们原先不认识羊驼这种动物,数量又不大,那就很有可能把比如7、8只羊驼分到绵羊一堆里,也就是假阴性:没有羊驼。同理,如果成年人脑神经干细胞与小鼠、猪、猴子、人类幼年的这些先验知识都不相似呢?
成年人大脑中约有800亿个神经元,以及大约等同或稍多数量的胶质细胞和其它细胞。
严格来讲,要知道这每人1600亿个细胞群体中“有”还是“没有”神经干细胞和成年新生神经元,如果找到了要下结论“有”,那么一个关键问题是如何确定找到的细胞是神经干细胞?这1600亿细胞群体中,神经干细胞大概占多少?如果没找到,下结论“没有”,那么一个重要的问题是样品的覆盖率和数量是否足够?比如用单细胞测序,每次抽样20万个细胞,要测多少次才能下结论?要考虑是否经得起统计学方面的检验。
在多组学大数据的时代,让成年人脑神经干细胞探寻的子弹再飞一会儿。