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传统观点认为大脑是单一、统一的器官。但斯坦福医学院的科学家联合加州理工学院、加州大学旧金山分校的合作者开展的最新研究显示，我们通常所说的大脑，实则是两套在数亿年间独立演化的截然不同的器官整合而成。
这一发现推翻了主流的大脑发育模型——原有理论认为发育早期存在单一祖细胞，可分化产生整个大脑，提示大脑所有区域共享共同的发育起源。最新研究结果表明，人类大脑由两套古老的神经系统巧妙整合而成：一套更为原始，调控心跳、呼吸等基础生理功能；另一套则是人类特有，支撑诗歌创作、数学运算及探索自我起源的认知能力。
该结果或可解释数十年来科学家难以在实验室培养特定类型脑细胞的原因，同时也为研究脊髓性肌萎缩（spinal muscular atrophy, SMA）、肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）等累及脑干的致死性疾病开辟了新路径。
发育生物学副教授Kyle Loh博士表示：“我们首次证实，大脑前部与后部的起源祖细胞完全不同。这一发现意味着我们现在可以在培养皿中培养后脑（即脑干）的神经元，研究其功能。” Loh是该发表于《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）的论文的通讯作者，Carolyn Dundes博士与Rayyan Jokhai为共同第一作者，论文题为《两类平行神经外胚层祖细胞共同参与大脑发育》，研究团队在文中指出：“大脑存在两类平行祖细胞的新发现，对发育、分化及演化研究均有诸多启示。”
成年大脑可分为三个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑负责高级认知功能，包括语言、意识及抽象推理。而后脑位于颅腔后部，通常称为脑干，调控维持生命必需的自主功能：呼吸、睡眠、心率调节及饥饿感调控。作者在文中写道：“因此，后脑损伤及弥漫内生型桥脑胶质瘤（一种儿童后脑肿瘤）均为致死性病变，会损害意识、感觉、反射及呼吸功能。”后脑神经元还调控面部、舌部及咽喉肌肉，影响言语与吞咽功能。
尽管后脑功能至关重要，但数十年来科学家始终难以在实验室中获得人类后脑神经元，这一短板阻碍了SMA、ALS等累及脑干的致死性疾病的研究进展。
SMA是1岁以下儿童的首要遗传性致死病因。ALS的确诊年龄多在40~70岁，可同时累及前脑与后脑。两种疾病中，特定后脑神经元会逐渐丧失功能，患者失去吞咽能力，食物或液体误吸入肺可引发肺炎，最终患者会丧失呼吸能力。研究团队指出：“后脑运动神经元退变可能是SMA、ALS等疾病患者进食与吞咽功能受损的原因，可引发呛咳、误吸、肺炎，部分病例可致死。”
研究人员的新发现在探究胚胎发育最早期的原肠胚形成（gastrulation）阶段时获得，这一阶段是机体结构初步形成的时期。Jokhai与Dundes发现，后脑的发育路径与产生前脑、中脑的发育路径平行，而非从后者分化而来。
研究人员通过分析发育中的小鼠胚胎证实了这一结论，他们鉴定出两类不同的脑祖细胞：“原肠胚形成阶段会同时出现两类平行的脑祖细胞：前部神经外胚层（前脑/中脑祖细胞）与后部神经外胚层（后脑祖细胞）。”其中一类表达Otx2基因，将定向分化为前脑与中脑；另一类表达Gbx2基因，定向分化为后脑。研究显示这两类细胞群完全无重叠，从发育最早期就已相互独立。“将人多能干细胞定向分化为前部或后部神经外胚层样细胞的结果显示，两类细胞分别定向属于前脑/中脑与后脑谱系。”
随后研究团队分析了这些细胞的DNA包装状态，即染色质（chromatin）结构——染色质的构象决定了细胞内哪些基因可被便捷转录，哪些基因被压缩封闭无法表达。研究结果十分显著：前部神经外胚层（aNE，未来分化为前脑和中脑）与后部神经外胚层（pNE，未来分化为后脑）的染色质构象存在根本性差异。研究团队指出：“二者的染色质景观存在差异，预先决定了其未来分化为前脑/中脑或后脑的命运。”这些差异从根本上将两类祖细胞锁定在各自的发育路径上，如同行驶在平行轨道上永远不会交汇的列车。
这一发现解释了该领域数十年来的研究困境——科学家此前一直尝试将一类祖细胞诱导为其根本无法分化形成的另一类细胞。Jokhai表示：“此前制备后脑神经元的尝试，本质上是试图诱导前脑、中脑祖细胞分化为后脑细胞，而我们的研究证实这是不可能的。干细胞生物学领域的研究通常聚焦于获得神经元这类终末细胞类型，但关注胚胎发育的最早期阶段至关重要。我们对发育早期阶段的精细解析，让我们发现了大脑发育的这一根本性分化节点。”
基于这一认知，研究人员首次成功在实验室中将人多能干细胞（可分化为人体所有类型细胞的干细胞）诱导为功能完备的后脑运动神经元。
这些实验室培养的神经元具备天然后脑细胞的所有特征：可产生称为动作电位的电活动峰，且可表达特异性标记蛋白，对应调控面部与吞咽肌肉的后脑节段。研究人员指出：“这一谱系分化节点的发现，为体外将人多能干细胞分化为后部神经外胚层，进而获得特定类型后脑神经元提供了路线图，为后续人类后脑生物学与疾病研究奠定了基础。”
最后，研究人员追溯了5.5亿年的演化历程，发现鸡、斑马鱼中均存在同样的双起源脑结构模式，更值得注意的是，与人类拥有遥远共同祖先的海洋底栖生物橡子虫中也存在该模式。研究团队进一步指出：“在后口动物类群中，从橡子虫、斑马鱼、鸡、小鼠到灵长类，原肠胚形成阶段均会出现独立的前部与后部外胚层群体，提示两类外胚层的分化早于脊索动物的起源，出现于约5.5~6亿年前。”水母与人类的演化分歧发生在约6~7亿年前，其身体两端也存在两套独立的神经系统。
Loh表示：“我们的研究表明，演化过程将两套既有的神经系统在空间上整合到了一起。大脑作为单一器官运作可能效率更高，但我们仍保留了这种将大脑作为两个独立部分发育的原始模式。”
Jokhai补充道：“这一发现令我十分惊讶，因为‘大脑’这个词本身就暗示它是一个连续的器官，很可能有单一的起源。但早在5亿年前，就已经存在这些独立的神经系统，现在它们几乎作为一个整体运作，这非常有意思。”
该研究也为探索SMA、ALS及其他累及脑干的疾病的治疗方法提供了新思路。此前，由于无法从活患者体内获得脑干组织，研究这些疾病几乎是不可能的。在培养皿中培养这类神经元的能力，为探究疾病的发病机制提供了新的可能。该发现还与肥胖治疗存在意外关联：后脑存在调控饥饿感的神经环路，而司美格鲁肽等减重药物正是通过该通路发挥作用。
研究人员希望后续研究能明确脊髓的发育起源，并阐明SMA与ALS损害后脑神经元功能的具体机制。Jokhai表示：“现在我们有了能更好地理解这些致死性疾病的模型，可推动相关再生疗法的开发。这是大脑研究领域一个非常令人兴奋的新前沿。”