科學家發現單一細胞如何建構由 1700 億個細胞組成的大腦

冷泉港實驗室的研究人員現在認為答案可能出奇的簡單。他們的新工作深入了解了大腦在發育過程中如何組織自身，並最終可能影響從生物學到人工智慧等領域的研究。

腦細胞如何決定自己的身分？

Anthony Zador 教授實驗室的博士後研究員 Stan Kerstjens 解釋了位置資訊的挑戰。

「細胞看到的唯一東西就是它自己和它的鄰居，」他解釋道。 「但它的命運取決於它所在的位置。錯誤位置的細胞會變成錯誤的東西，大腦也無法正常發育。因此，每個細胞必須解決兩個問題：我在哪裡？我應該成為誰？”

在發表於的一項研究中 神經元Kerstjens、Zador 以及來自哈佛大學和蘇黎世聯邦理工學院的合作者提出了一種新理論，描述發育中的大腦如何實現這種卓越的組織水平。

超越化學訊號

幾十年來，科學家基本上相信細胞透過化學訊號傳遞位置訊息。根據 Kerstjens 的說法，這種解釋在細胞數量有限的相對較小的系統中很有效。

然而，發育中的大腦包含數十億個神經元，每個神經元都必須連接到正確的位置。由於化學訊號在傳播過程中會減弱，研究人員長期以來一直想知道發育中的大腦深處的細胞如何能夠精確地定位自己。

Kerstjens 認為，部分答案可能來自於類似人類代代相傳的過程。

「想想人口是如何一代又一代地分佈在全國各地的，」他說。 「後代定居在靠近父母的地方，因此擁有共同祖先的人最終會居住在鄰近地區，產生沒有遠程連接的大規模地理結構。我們在發育中的大腦中看到了類似的原理。來自同一祖先的細胞往往會保持緊密的聯繫。”

測試基於比率的模型

為了研究這個想法，研究人員開發了他們所描述的「基於譜系的可擴展位置資訊模型」。

他們首先使用理論計算來探索這個概念是否可行。接下來，他們檢查了發育中小鼠大腦中的基因表現模式，觀察了單細胞和更大的細胞群。最後，他們在斑馬魚中測試了該模型，並發現了類似的結果，這表明該機制可能在不同大小的大腦中發揮作用。

結果表明，化學訊號和細胞譜係可能共同作用，在發育過程中提供位置資訊。

對生物學和人工智慧的影響

儘管這項研究主要針對大腦，但 Kerstjens 表示，基本原理可以適用於許多其他發育中的組織，包括腫瘤。

這個理論對於未來的自我複製人工智慧系統也可能很重要。正如腦細胞可以跨代細胞繼承訊息一樣，未來將訊息從一代傳遞到下一代的人工智慧模型也可以依賴類似的組織原則。

也許最重要的含義是工作可以揭示智力本身。了解單一細胞如何發育成高度組織化的大腦可能有助於科學家回答一些關於心靈的深刻問題。

「大腦在某種程度上讓我們變得聰明，」克斯特詹斯說。 “你是如何設法積累這種能力的，不僅僅是在它的進化過程中，而是在它的進化過程中？這是這個大難題的一部分。”