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沟回（gyri and sulci），或称折叠（folding）是很多哺乳动物大脑在外形上看来最引人注意的特征。与鸟类等其他脊椎动物不同，新皮质（neocortex / 或称 皮层 cortex）在不少哺乳动物的系统发育与个体发育过程中都扩展剧烈，且由于距离颅骨较近，故往往成为现有研究较多、领域内认识较全面的对象。从演化的角度，沟回结构一般被阐述为增加新皮质表面积的策略；在流行科学文化中，沟回结构则常常以“破解人类智力之谜”的噱头出现。但近十数年来，凭借新兴的各种遗传学、分子生物学与生物力学的手段，研究者们得以从个体发育的角度对皮质折叠现象做出更详细的阐释。 2024年4月19日，复旦大学禹永春教授应邀以'Molecular Mechanism Linking the Evolution of Cortical Folding'为题，为我们叙述了这一领域的一些有趣的新进展。北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、生命科学学院于翔教授主持报告会。          撰稿：杨皓琛 审核：于 翔 1. 沟回结构系统发生与个体发育简介 对皮层折叠产生沟回的个体发育研究主要有两个着眼点。其一关注组织的生物力学特性，认为胞内与胞间的骨架与基质是大脑皮层受颅骨压力产生形变折叠的重要原因。但在发育中去除颅骨、释放压力的实验表明颅骨本身对脑组织产生的压力收效甚微。其二关注皮层发育过程中的细胞迁移等发育因素与相应的遗传机制对这一过程的关键作用。此第二种途径的关键前提在于部分沟回结构在种间的保守性，该特性对遗传因素参与的假说提供了强大的支持。基于此，禹永春老师认为，一些基因通过产生区域性的表达，从而对沟回发生造成影响。  图1. 沟回发生的区域性基因表达模型 （Llinares-Benadero, C., and Borrell, V. Nat Rev Neurosci, 2019） 2. 以雪貂为模式生物找出沟回结构发育的遗传差异 如前文所述，小鼠的大脑并没有沟回，故禹永春老师采用雪貂（ferret）作为研究这一问题的模式生物。雪貂也是该领域中经典的模式动物。在对这一问题的研究中，雪貂拥有诸多独特优势，包括但不限于其在出生后产生沟回、生育能力相对较强，以及拥有全基因组测序数据，方便进行遗传学操作。  图2. 皮层折叠中的细胞学机制 （Llinares-Benadero, C., and Borrell, V. Nat Rev Neurosci, 2019） 通过bulk-seq进行差异基因筛选，禹永春团队选定了与Wnt信号通路相关的N基因作为研究对象。通过胚胎电转（in utero electroporation，IUE）的递送手段干扰N基因的表达，明显可见P16的雪貂的沟回在典型结构上出现一定的发育障碍，且皮层厚度也有明显下降。这意味着N基因对发育过程中皮层沟回的形成应有显著的促进作用。 同时，通过脑片长时程荧光成像追踪，可见N基因敲降的神经元迁移轨迹紊乱，伴有迁移速度的显著降低。全身敲除的雪貂也具有皮层神经元位置分布异常的表型。这意味着N基因对神经元在皮层发育过程中的正常迁移有重要的维持作用。 作为Wnt信号通路的一个节点，N基因其表达的变化是否对整条信号通路产生影响？对敲除组织进行相关蛋白表达水平检测发现，部分Wnt信号通路相关蛋白表达水平降低，亦即N基因缺失对Wnt信号通路进行了一定程度的负向调节。 对全身敲除N基因的雪貂进行了一系列行为学测试发现，敲除动物的生理性焦虑水平提高，且存在一定程度的生理性社交障碍。将沟回发生、神经细胞迁移与常用来检测焦虑等精神性障碍的行为学实验相结合，或将有助于未来对相关疾病各种表型的关联与病因的解析。 3. 人类遗传学为研究者提供新的基因切入点 通过与医院合作，禹永春老师从无脑回/巨脑回畸形患儿的家系中找出一系列新颖的具有新发突变的高风险基因，希望能够为未来的研究与治疗，尤其是中国人的人类遗传学研究提供更加合适的研究范例与样本库。 本研究强调与解释了遗传因素，具体来说是Wnt信号通路的N蛋白在哺乳动物大脑皮层沟回折叠中的重要作用。但同时需注意，对于皮层沟回个体发育的机制，本研究并不，也不能排除力学因素的参与。正如禹永春老师在问答环节所提到的，遗传因素如何与力学因素相互作用，将是未来解答皮质折叠问题的关键线索。
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