Astrocyte metabolic programs diverge across primate evolution and are linked to species-specific neuronal development
这项研究表明，人类与非人灵长类动物的星形胶质细胞表现出差异化的代谢程序和分泌组，从而驱动了物种特异性的神经元发育和电生理活动差异。
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人类大脑是复杂性的奇迹，但它并非孤立进化的。它在与我们最亲近的现存亲属——类人猿共同进化的过程中成长，双方在数百万年前拥有一个共同的祖先。虽然人类神经元以其比其他灵长类动物更大、更复杂而闻名，但科学家长期以来一直专注于神经元本身来解释这些差异。他们研究神经细胞如何分裂以及如何发射电信号，试图寻找将黑猩猩大脑转变为人类大脑的遗传开关。然而，神经元并非存在于真空之中。它们被一种被称为星形胶质细胞（astrocytes）的致密支持细胞网络所包围。这些细胞充当大脑的“护理员”，管理化学环境、清理废物，并为神经元发挥功能提供所需的燃料。长期以来，人们一直假设这些支持细胞在不同物种之间基本相同，仅仅是对其支持的神经元做出反应。但一种新的研究方向表明，这些“后勤人员”之间的差异，可能正如它们所照看的一样，也存在着显著的不同。
来自索尔克研究所（Salk Institute）和加州大学圣地亚哥分校的研究团队决定深入观察这些支持细胞。他们想知道，人类星形胶质细胞管理其内部化学物质的方式，是否与黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猴子的星形胶质细胞方式有所不同。为了找出答案，他们在实验室中培养了脑细胞，这些细胞始于从人类及各种非人灵长类动物身上提取的干细胞。他们引导这些干细胞发育成为星形胶质细胞——即那些环绕在神经元周围的星形细胞，然后观察它们的行为。研究人员发现，这些细胞不仅仅是消极的旁观者；它们拥有独特的代谢个性，并会随着成熟而改变。在实验室中，人类星形胶质细胞的发育速度较慢，比其他灵长类动物的对应细胞需要更长的时间才能出现在生长中的脑组织中。一旦它们到达，就开始表现出不同的行为。当其他灵长类的星形胶质细胞专注于从零开始构建新分子时，人类星形胶质细胞改变了策略，向周围环境释放大量的简单糖分子——乳酸（lactate）。
这种化学策略的转变似乎是人类进化的一个定义性特征。研究人员发现，非人灵长类的星形胶质细胞忙于合成丝氨酸（serine）和甘氨酸（glycine），这两种氨基酸是构建蛋白质和脂肪的建筑模块。这些细胞本质上是工厂，源源不断地生产构建复杂细胞结构所需的原材料。相比之下，人类的星形胶质细胞似乎关闭了其中一些生产线。相反，它们加强了乳酸的释放，乳酸是一种神经元可以用来作为快速能量来源的物质。科学家还观察了这些细胞分泌到环境中的蛋白质。他们发现，人类星形胶质细胞释放了一套不同的信号，其中许多信号已知能鼓励神经元长出长而分支的“手臂”。这表明，人类星形胶质细胞可能正在引导神经元走向一种更复杂、更互联的状态，而灵长类的星形胶质细胞则可能在推动它们走向一个更快、更成熟的状态。
为了测试这些化学差异是否真的改变了神经元的发展，研究人员进行了一次“交换实验”。他们将培养皿中生长的的人类神经元置于由灵长类星形胶质细胞创造的液体环境中。结果立竿见影且令人震惊。人类神经元通常需要很长时间才能成熟，但在这种环境下开始很快显示出电活动迹象。它们更频繁地发射信号，表现得更像黑猩猩或猴子的成熟神经元。反之，当研究人员阻断灵长类星形胶质细胞中丝氨酸和甘氨酸的产生时，对人类神经元的影响则减弱了。这表明，星形胶质细胞特定的化学输出直接影响了神经元发育的速度和性质。该研究表明，人类大脑的进化不仅关乎神经元本身的变化，也关乎其周围支持系统的变化。
这些发现指向了一个关于大脑运作方式的更深层故事。众所周知，人类神经元更大、更复杂，需要更多的能量和时间来构建。研究人员提出，人类星形胶质细胞可能已经进化，通过提供稳定的乳酸流作为能量，并提供特定的蛋白质来鼓励分支，从而支持这种复杂性。与此同时，其他灵长类的星形胶质细胞似乎针对另一种类型的发育进行了优化，即优先考虑快速合成建筑模块和快速的电生理成熟。这种支持细胞之间的差异有助于解释为什么人类大脑发育时间较长，却最终拥有独特的架构。这提醒我们，大脑是一个细胞社区，这些细胞通过化学方式进行的交流，与其携带的遗传密码同样重要。通过理解支持细胞运作中的这些细微差异，科学家们正开始更清晰地描绘出使人类心智区别于我们最亲近的亲属的心智之图景。
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