斯坦福医学院主导的研究发现，人脑其实是两个独立的器官

斯坦福医学院的研究人员证明，人脑是两个不同的器官。这一发现为研究影响其中一部分——脑干——的毁灭性疾病创造了机会。

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神经生物学 2026年9月18日

人脑是两个独立器官，斯坦福医学院主导的研究发现

作者：Krista Conger 斯坦福医学院主导的一项新研究发现，脑是两个彼此相邻的独立器官。这一发现可能有助于研究毁灭性的神经系统疾病。

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几个世纪以来，科学家一直把脑视为一个单一、统一的器官。但斯坦福医学院主导的新研究揭示，我们所说的脑其实是两个不同的器官，它们在数亿年间独立演化。\n这一发现推翻了关于脑发育的主流模型。几十年来，研究人员一直认同这样一种理论：发育早期存在一个单一的祖细胞，它产生了整个脑。该模型意味着脑的所有部分有着共同的发育起源。\n新的研究结果表明，人脑由两个古老的神经系统巧妙地打包在一起构成——一个较为原始的部分调控心跳、呼吸及其他功能，另一个则让我们成为真正意义上的人，能够写诗、做数学，并追问自身的起源。\n这一发现可能有助于解释，为什么科学家几十年来一直难以在实验室中培养某些类型的脑细胞——它也为研究影响脑干的毁灭性疾病开辟了新途径，例如脊髓性肌萎缩症（又称SMA）和肌萎缩侧索硬化症（又称ALS或卢伽雷氏症）。\n“我们首次证明，脑的前部与后部源自完全不同的祖细胞，”发育生物学副教授Kyle Loh博士说。“我们的发现意味着，我们现在可以在培养皿中培养来自脑后部，即后脑的神经元，并研究它们的功能。”\n这些发现于9月18日发表在_Nature Neuroscience_上。Loh是通讯作者。研究生Carolyn Dundes和Rayyan Jokhai是这项研究的共同第一作者。\n

两个大脑

成年大脑主要分为三个区域：前脑、中脑和后脑。前脑负责语言、意识和抽象推理等高级思维活动。相比之下，位于颅骨后部、常被称为脑干的后脑，掌管着维持生命的自动功能：呼吸、睡眠，以及心跳和饥饿感的调节。后脑神经元还控制面部、舌头和喉部的肌肉，这些肌肉影响说话和吞咽。

尽管后脑至关重要，几十年来科学家一直难以在实验室中培育出人类后脑神经元。这一空白阻碍了对影响脑干的毁灭性疾病的研究，包括脊髓性肌萎缩症（SMA）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。

SMA是1岁以下儿童死亡的主要遗传原因。ALS通常在40至70岁之间确诊，同时影响前脑和后脑。这两种疾病中，某些后脑神经元会逐渐丧失功能，患者失去吞咽能力，食物或液体被吸入肺部时可引发肺炎；最终，患者会失去呼吸能力。

研究人员的突破来自对胚胎发育最早阶段的研究——即原肠胚形成期，身体在这一阶段初步成形。Jokhai和Dundes发现，后脑走的是独立的发育路径，与产生前脑和中脑的路径平行进行，而非从后者分支出来。

这一发现来自对发育中小鼠胚胎的观察。他们识别出两种不同的脑祖细胞。一种表达Otx2基因，注定发育为前脑和中脑；另一种表达Gbx2基因，注定形成后脑。他们证明这两类细胞群从不重叠，从发育的最早阶段起就互斥。

团队随后检查了这些细胞中的DNA包装，即染色质。染色质是细胞用来决定哪些基因易于取用、哪些被束之高阁的方式。他们的发现令人震惊：前神经外胚层（未来的前脑和中脑）与后神经外胚层（未来的后脑）具有根本不同的染色质构型。这些差异实际上将每种祖细胞锁定在各自命运中，如同永不相交的平行轨道上的旅人。

“此前培育后脑神经元的尝试，很可能是在试图把前脑和中脑祖细胞诱导成后脑细胞，而我们的研究表明这是不可能的，”Jokhai说。

这一发现解释了该领域数十年来的困境——科学家一直试图把一种祖细胞变成它从根本上无法成为的另一种细胞。

“在干细胞生物学中，人们总是执着于制造终末细胞类型，比如神经元，”Jokhai说。“但从胚胎发育的最早阶段入手很重要。我们对这一早期时间点的细致关注，让我们发现了大脑发育中的这一根本性分裂。”

培育后脑神经元

有了这一认识，研究人员首次成功地在实验室中将人类多能干细胞（一种能分化成人体任何细胞的细胞）诱导为功能性后脑运动神经元。这些实验室培育的神经元展现出真正后脑细胞的全部特征：它们表现出称为动作电位的电活动波，并制造出标识后脑各节段的蛋白质，这些节段控制面部和吞咽肌肉。

最后，研究人员回溯了5.5亿年的进化历程。他们在鸡、斑马鱼，以及令人惊讶的橡子虫——一种生活在海底、与人类有遥远共同祖先的微小生物——身上发现了同样的双起源脑模式。水母大约在6亿至7亿年前与人类分化，其身体两端各有一套神经系统。

“我们的研究表明，进化把两套已有的神经系统在空间上推到了一起，”Loh说。“大脑作为一个器官大概会更高效，但我们依赖这种原始方式，把大脑做成两个独立的部分。”

“我对我们的发现感到惊讶，因为‘脑’这个词暗示着一个连续的器官，很可能有单一起源，”Jokhai说。“但即使在5亿年前，就已经存在这些独立的神经系统，如今它们几乎作为一个整体运作，这非常酷。”

这项研究对探索SMA、ALS及其他影响脑干的疾病的疗法也有意义。迄今为止，研究这些疾病几乎不可能，因为科学家无法从活着的患者身上获取脑干组织。能够在培养皿中培育这些神经元，为理解哪里出了问题开辟了新的可能。甚至还有一个与肥胖治疗相关的意外联系：后脑包含调节饥饿的神经回路——这正是semaglutide等减肥药的作用机制。

研究人员希望将研究扩展到脊髓的发育起源，并弄清SMA和ALS究竟如何损害后脑神经元的功能。

“现在我们有了一个模型，可以更好地理解这些毁灭性疾病，并朝着再生疗法努力，”Jokhai说。“这是大脑研究中一个非常令人兴奋的新前沿。”

来自加州理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员参与了这项研究。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（项目编号DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790和F31DE031154）、美国国家科学基金会、加州再生医学研究所、脊髓性肌萎缩症基金会、斯坦福母婴健康研究所的一项资助、斯坦福Beckman和Ludwig中心、Siebel干细胞研究所、Stinehart-Reed基金会的一项资助、Gatsby慈善基金会、霍华德·休斯医学研究所、Packard基金会、Pew慈善信托、Baxter基金会、人类前沿科学计划，以及匿名、Fickel、Gilbert和Stinehart-Reed家族的资助。

数百年来，科学家一直把大脑视为一个单一、统一的器官。但斯坦福医学院主导的一项新研究显示，我们所说的大脑其实是两个独立的器官，在数亿年间各自演化而成。

这一发现推翻了此前关于大脑发育的主流模型。几十年来，研究者一直相信，发育早期存在单一祖细胞，由此生成整个大脑。这个模型意味着大脑的所有部分有着共同的发育起源。

新研究的结果表明，人脑由两套古老的神经系统巧妙地打包在一起——一套更原始，负责心跳、呼吸等功能；另一套则让我们成为真正意义上的人，能够写诗、做数学，并追问自身的起源。

这一发现或许能解释，为什么科学家几十年来始终难以在实验室中培养出某些类型的脑细胞——它也为研究影响脑干的破坏性疾病开辟了新途径，例如脊髓性肌萎缩症（SMA）和肌萎缩侧索硬化症（ALS，又称卢·格里克病）。

Kyle Loh

“我们首次证明，大脑前部与后部源自完全不同的祖细胞，”发育生物学副教授、博士 Kyle Loh 说。“这一发现意味着，我们现在可以在培养皿中培养来自大脑后部，也就是后脑的神经元，并研究它们的功能。”

研究结果于9月18日发表在 Nature Neuroscience 上。Loh 是通讯作者。研究生 Carolyn Dundes 和 Rayyan Jokhai 为共同第一作者。

两个大脑

成人大脑有三个主要区域：前脑、中脑和后脑。前脑负责更高级的思维——语言、意识和抽象推理。相比之下，位于颅骨后部、常被称为脑干的后脑，控制着维持生命的基本自动功能：呼吸、睡眠，以及调节心跳和饥饿感。后脑神经元还控制面部、舌头和喉部的肌肉，这些肌肉影响说话和吞咽。

尽管后脑至关重要，几十年来，科学家一直难以在实验室中培育出人类后脑神经元。这一空白阻碍了对影响脑干的毁灭性疾病的研究，包括脊髓性肌萎缩症和肌萎缩侧索硬化。

SMA是1岁以下儿童死亡的主要遗传原因。ALS通常在40至70岁之间被诊断出来，同时影响前脑和后脑。在这两种疾病中，某些后脑神经元逐渐停止运作，患者失去吞咽能力，当食物或液体被吸入肺部时可引发肺炎；最终，患者失去呼吸能力。

研究人员的突破来自对胚胎发育最早时刻的研究，即被称为原肠胚形成的阶段，此时身体首次成形。Jokhai和Dundes发现，后脑遵循一条独立的发育路径，与产生前脑和中脑的路径平行运行，而非从中分支出来。

研究人员通过检查发育中的小鼠胚胎了解到这一点。他们识别出两种不同的脑祖细胞。一种表达名为Otx2的基因，注定成为前脑和中脑。另一种表达名为Gbx2的基因，致力于形成后脑。他们证明这两个细胞群体从不重叠；从发育的最早阶段起，它们就是互斥的。

研究团队随后检查了这些细胞中的DNA包装，即染色质。染色质是细胞决定哪些基因易于获取、哪些被捆绑起来无法触及的方式。他们的发现令人震惊：前神经外胚层（未来的前脑和中脑）和后神经外胚层（未来的后脑）具有根本不同的染色质构型。这些差异实质上将每个祖细胞锁定在各自的命运中，就像平行轨道上的旅行者永远不会交叉。

“此前制造后脑神经元的尝试，多半是想把前脑和中脑的祖细胞诱导成后脑细胞，而我们的研究表明这根本行不通。”Jokhai 说。

这一发现解释了该领域数十年来的困局——科学家一直试图把一种祖细胞变成它从根本上无法成为的另一种细胞。

“在干细胞生物学里，人们总是执着于造出终末细胞类型，比如神经元，”Jokhai 说。“但重要的是从胚胎发育的最早阶段入手。正是对那个早期时间点的细致关注，让我们发现了大脑发育中的这一根本性分野。”

培育后脑神经元

有了这一认识，研究人员首次在实验室中成功将人类多能干细胞（一种能分化成人体任何细胞的细胞）诱导为有功能的后脑运动神经元。这些实验室培养的神经元表现出真正后脑细胞的全部特征：它们产生称为动作电位的电活动波，并合成用于标识后脑中控制面部和吞咽肌肉那些区段的蛋白质。

最后，研究人员回溯了 5.5 亿年的演化时间。他们在鸡、斑马鱼，以及令人意外地，在橡子虫——一种生活在海底、与人类有遥远共同祖先的微小生物——身上发现了同样的双起源大脑模式。水母大约在 6 亿至 7 亿年前与人类分化，它们身体两端各有一套神经系统。

“我们的研究表明，演化把两套已有的神经系统在空间上推到了一起，”Loh 说。“大脑作为一个器官大概会更高效，但我们依赖这种原始方式来把大脑造成两个独立的部分。”

“我对我们的发现感到意外，因为‘脑’这个词意味着一个连续的器官，很可能只有一个起源，”Jokhai 说。“但即便在 5 亿年前，就已经存在这些彼此独立的神经系统，如今它们几乎作为一个整体运作，这非常酷。”

这项研究也为探索 SMA、ALS 及其他影响脑干的疾病的疗法提供了线索。在此之前，研究这些疾病几乎不可能，因为科学家无法从活着的患者身上获取脑干组织。能在培养皿中培育这些神经元，为理解问题出在哪里开辟了新的可能。研究甚至与肥胖治疗存在意想不到的关联：后脑中含有调节饥饿的神经回路——而这正是 semaglutide 等减肥药物的作用机制。

研究人员希望将研究进一步推进，确定脊髓的发育起源，并弄清 SMA 和 ALS 究竟如何损害后脑神经元的功能。

“现在我们有了一个模型，可以更好地理解这些毁灭性疾病，并朝着再生疗法努力，”Jokhai 说。“这是脑研究中一个非常令人兴奋的新前沿。”

来自 California Institute of Technology 和 University of California, San Francisco 的研究人员参与了这项研究。

这项工作得到了以下机构的支持：National Institutes of Health（项目编号 DP5OD024558、DP2GM146258、R00GM121852、R01DK115728、R01DE027538、T32GM119995、T32GM007365、T32GM007790 和 F31DE031154）；National Science Foundation；California Institute for Regenerative Medicine；Spinal Muscular Atrophy Foundation；Stanford Maternal and Child Health Research Institute 的一项资助；Stanford Beckman and Ludwig Centers；Siebel Stem Cell Institute；Stinehart-Reed Foundation 的一项资助；Gatsby Charitable Foundation；Howard Hughes Medical Institute；Packard Foundation；Pew Charitable Trusts；Baxter Foundation；Human Frontier Science Program；以及匿名捐赠者、Fickel、Gilbert 和 Stinehart-Reed 家族。

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