10.4.2 人脑进化机制
大脑皮层是神经系统中信息处理的高级中枢。人类与其他物种相比，其独特认知能力的建立依赖于新生皮层的大量扩增，因此，该区域是理解进化机制的重点关注对象。与非人灵长类动物、啮齿类动物相比，人脑发育需历经更长的时间。此外，新生皮层的结构在不同物种间也表现出明显差异，比如人脑新生皮层与小鼠的相比，呈现增殖性区域（富集神经前体细胞）和皮质板区域（富集分化的神经元）的扩张。其中，尤其富集oRG的oSVZ区域扩增是皮层神经元数量增加的重要原因。除了发育时长、新生皮层组织结构的差异，神经前体细胞在细胞周期、分裂模式等方面调控的差异，也影响着神经元产生的数量，进而影响新生皮层的发育。
传统的探究进化的研究主要利用不同模式动物开展，比如鸡、小鼠、非人灵长类动物等。此外，有限的人体组织样本也被用于开展一些偏描述性的研究。在此基础上，脑类器官技术的应用，为分析不同物种的进化差异、调控机制提供了前所未有的便利工具。下面，我们将从两方面简要阐述脑类器官在进化研究方面的相关应用。
1.独特的神经前体细胞调控
我们上面谈到的关于人脑发育调控的诸多探索，比如关于ARHGAP11B、TBC1D3等基因对人神经前体细胞调控功能的研究，其实也为了解人脑进化机制提供了信息。相关探索或是利用脑类器官验证发现，或是主要基于脑类器官开展分析，但都显示了脑类器官技术应用于进化研究的潜力。实际上，近年来通过对鼠、非人灵长类动物、人类的脑类器官进行比较，也显示体内存在的脑发育差异可在脑类器官中呈现。比如，人类脑类器官往往可产生大量的o RG及其对应的类似oSVZ的区域，而鼠源脑类器官则只能产生少量oRG细胞且缺乏oSVZ样区域，这与人脑、鼠脑发育差异类似。
由于人类大脑皮质扩增很大程度上与神经前体细胞相关，研究人员应用脑类器官解析进化机制时也常常聚焦于神经前体细胞的调控。当利用人、黑猩猩、猕猴的iPSCs构建脑类器官时，可精确追踪物种特异的脑发育进程，比如研究发现猕猴与人或黑猩猩相比，其神经前体细胞更早结束扩增，且更早进入产生浅层神经元的阶段［50］。通过比较人脑类器官与黑猩猩脑类器官中v RG的细胞周期特征，揭示了人源v RG处于细胞分裂中期的时间要显著长于黑猩猩v RG，由于该细胞周期特征与细胞增殖行为密切相关，因此提示了人与黑猩猩相比最终产生更多神经元的原因［51］。进一步，利用脑类器官可探索人与其他物种相比，其神经前体细胞差异调控的机制。比如，有研究通过比较人源与鼠源的脑类器官，发现人源神经前体细胞（包括oRG、IPCs）中SHH信号通路表现出高活性，从而增强了神经前体细胞的增殖能力［52］。此外，基于不同物种脑类器官的大量测序研究，尤其包括单细胞转录组研究，也可揭示脑发育中人类特异的基因表达特征，及其对神经前体细胞的调控。比如通过对人脑类器官与非人灵长类脑类器官的比较分析发现，人类脑类器官中神经前体细胞表现出m TOR通路的特异性激活，提示该通路在人神经前体细胞扩增中发挥重要作用［53］。
除了v RG、o RG或IPCs等细胞的差异化调控，人脑发育与其他物种相比，其差异化还可能出现在更早期，从而根本上影响了人脑发育进程［36］。通过对人、大猩猩、黑猩猩脑类器官进行比较，发现在神经发生开始之前，人脑类器官与大猩猩、黑猩猩脑类器官相比即已表现出更多的扩增。进一步对不同物种脑类器官的早期发育追踪发现，人脑类器官中神经上皮转换为vRG的阶段，与类人猿相比要发生的更晚，因而更有利于后续的皮层组织扩增。针对该细胞状态转换的机制，研究人员还发现了潜在的关键基因如ZEB2（上皮—间充质转换调控因子），且在人脑类器官中对ZEB2的干预可使其发育特征与非人灵长类脑类器官更为接近。(https://www.daowen.com)
脑类器官的另一重要应用场景，是分析人类与已灭绝物种间的进化差异机制。比如，现代人类与古人类相比，大脑的进化差异是什么，这些差异为何能发生？这样的问题很难用传统方法研究或验证，因为除了留存的遗传物质信息，并无其他材料可用于研究已灭绝物种的脑发育过程。近年来研究人员从古人类如尼安德特人遗传信息入手，通过与现代人类遗传信息比对，发现了一系列潜在的关键基因差异，比如转酮酶样蛋白（TKTL1）中存在的单个氨基酸变化。通过在脑类器官中比较尼安德特人和现代人特异的TKTL1版本，研究人员发现现代人TKTL1变异体可显著扩增oRG数量，因而提示现代人与尼安德特人相比可能存在新生皮层的扩增［54］。
以上这些工作均从不同角度展示了人脑发育中神经前体细胞的进化差异及相关机制，而脑类器官技术在其中都发挥了关键的，甚至是不可替代的作用。此外，随着多种组学研究技术的发展，结合脑类器官重现发育的优势，今后的研究还可回答更多关于人类进化的未知问题，包括更精细的细胞类型特异性调控、基因表达差异化机制等。比如，通过将人、黑猩猩、猕猴脑类器官进行单细胞转录组、单细胞染色质开放性测序分析，可揭示不同发育阶段、不同细胞类型中发生的人类特异性基因表达特征，及其相应的调控网络［55］。总之，过去几年脑类器官在进化领域的应用，已为揭示新的进化机制提供了宝贵帮助。
2.神经元成熟的进化差异
除了神经上皮、神经前体细胞的发育行为，神经元的成熟过程同样可能存在进化差异。比如，在人类中存在SRGAP2基因的复制，从而形成人类特异的旁系同源基因SRGAP2C。研究表明SRGAP2C基因的出现，促进了皮层神经元兴奋性和抑制性突触发育、增强了皮层神经环路连接及功能，因而可能是人类大脑在结构和功能上表现出进化差异的因素。因此，除了聚焦神经前体细胞，对脑类器官中神经元成熟过程的追踪也可揭示人脑进化差异及机制。
在此方面，代表性的探索同样包括对现代人与古人类（如尼安德特人、丹尼索瓦人）大脑皮层发育差异的研究［56］。在比较现代人、尼安德特人、丹尼索瓦人基因组信息后，研究人员发现了现代人NOVA1基因（编码产物参与RNA可变剪切调控）与古人类相比存在第200位氨基酸的替换。为验证该氨基酸变化的功能影响，研究人员将古人类版本的NOVA1基因引入了人脑类器官，发现人脑类器官除了出现神经发育、增殖方面的变化外，还表现出神经元兴奋性突触的减少，以及神经网络功能的改变，因而为揭示该基因对人类脑功能进化的影响提供了线索。
总之，自脑类器官建立起至今约10年的时间里，该技术在探索人类进化领域已经得到了诸多应用，尤其在针对已灭绝物种的研究中凸显了优势。当然，脑类器官应用于进化研究也面临许多挑战，比如如何验证脑类器官呈现的早期发育差异与成体大脑中结构、功能差异的对应关系，如何整合更复杂的脑类器官应用（比如我们上面介绍的多种复杂脑类器官模型），以弥补非神经谱系细胞成分缺失的影响等。随着脑类器官技术的不断发展与完善，我们也期待该技术将在帮助认识人类自身方面发挥更多作用。