人类大脑在损伤或患病后的自我修复能力极差，但部分动物可调动自身细胞功能，不仅能修复损伤，甚至可实现全脑再生。近日，佐治亚大学的研究人员定位到了调控涡虫（planarian，一类扁形动物）脑再生能力的数个关键基因，该研究团队在发表于《自然·通讯》的最新论文中称，这类扁形动物拥有“极为卓越的脑再生能力”。
涡虫与人类的大脑均由神经元网络构成，神经元之间通过电信号或化学信号实现通讯：部分神经元负责响应光、触觉等刺激，另一部分则调控运动。涡虫受损后可利用干细胞替代受损神经元，然而尽管人类同样拥有干细胞，却无法将其高效转化为新神经元以修复损伤。
这项新研究阐明了人-涡虫共享同源基因在涡虫体内的作用机制，为后续研究人员探索人类体内可被激活的同类通路、开发创伤性脑损伤或脑部疾病的更优治疗方案奠定了基础。
佐治亚大学富兰克林文理学院副教授Rachel Roberts-Galbraith博士表示：“从长远来看，我们希望找到提升人类大脑自我再生能力的方法。通过对低等模式动物的研究建立的脑再生认知，给我们带来了乐观的依据：再生能力差并非大脑的固有属性，而是人类这一物种特有的局限性。”
Roberts-Galbraith是该研究的通讯作者兼资深作者，Kendall Clay博士与Taylor Medlock-Lanier博士为共同第一作者，研究论文题为《涡虫神经发生过程中调控细胞定位与神经递质身份的组合机制》。团队在论文中总结道：“本研究表明，对细胞类型与空间身份进行组合调控，可优化外源性干细胞疗法，实现局部损伤后神经元的精准替代。”
涡虫广泛分布于淡水、海水甚至陆地环境中，不具备循环系统与呼吸系统，但拥有可按需分化为任意所需细胞类型的干细胞。仅需极小的身体碎片，涡虫便可通过干细胞实现全身再生，重建组织、肌肉甚至全脑。论文作者写道：“涡虫以极强的再生能力著称，几乎在任何损伤后都可实现从头（de novo）脑再生。关键在于，新生成的神经元数量、类型多样性、分布模式与连接模式完全正常，可实现功能恢复……除再生能力外，涡虫神经系统具备空间结构与细胞类型的复杂性，是理想的研究模型。”
但这类微小生物如何确定需要生成的细胞类型，以及将其运送至正确位置？作者表示：“目前对于涡虫神经系统中任意细胞类型，均尚未明确从多能干细胞到成熟神经元的完整分化通路。为更好地理解涡虫再生性神经发生（neurogenesis）的过程，我们聚焦于一类高度保守的细胞类型：多巴胺能神经元（dopaminergic neuron）。”
多巴胺常被称为“快乐递质”，但其功能不仅限于介导大脑的奖赏与愉悦感受，还可作为信号分子辅助神经元之间的通讯，在运动调控中发挥核心作用。例如帕金森病患者就是由于多巴胺水平过低，出现震颤、肢体僵硬等症状。
本研究中，研究人员共鉴定到近12个负责调控干细胞分化为多巴胺能神经元、并引导新生神经元迁移至体内正确位置的基因。作者写道：“我们共鉴定到10个基因，并明确了其中6个基因在涡虫全神经系统成熟多巴胺能神经元特化过程中的关键作用，这些因子可同时调控神经递质身份与细胞定位。研究结果表明，涡虫神经发生需要启动神经递质类型选择与区域定位的两类因子协同作用。”
当研究人员敲除本研究发现的部分基因后，涡虫无法正常生成新的多巴胺能神经元，且出现运动迟缓表型，与人类及其他哺乳动物多巴胺水平不足的症状高度相似。
目前临床对于帕金森病、阿尔茨海默病或创伤性脑损伤等疾病的治疗手段十分有限，若能像涡虫一样调动人体自身细胞修复损伤，将彻底改变现有治疗格局。研究人员在论文中指出：“若可针对特定损伤或疾病，按需求生成指定类型、数量、分布于目标位置的神经元，将彻底革新神经退行性疾病及其他脑损伤的治疗手段。本研究旨在利用高再生能力的模式动物，解析神经元成功替代的核心机制。”
Roberts-Galbraith补充道：“我们已经解析了涡虫体内生成这类细胞的遗传调控通路，希望本研究能帮助其他研究人员找到从干细胞诱导生成多巴胺能神经元的方法，实现更高效的患者移植治疗。”
Roberts-Galbraith实验室隶属于细胞生物学系，同时也是佐治亚大学再生生物科学中心的组成部分，该中心是聚焦再生医学应用潜力的跨学科研究平台。
专业注释
- 涡虫：扁形动物门模式生物，以极强的全身再生能力为核心特征
- 多巴胺能神经元：分泌多巴胺的神经元亚型，调控运动、奖赏等生理功能
- 神经发生：神经干细胞分化为成熟神经元的生物学过程