Development Cell丨脑和脊髓的早期形态区分是如何实现的？

摘要：包括人类在内的脊椎动物的中枢神经系统由大小和形态截然不同的脑 (brain) 和脊髓 (spinal cord) 组成。它们来自早期胚胎的一个共同结构：神经管。虽然这两部分神经组织在神经管还未完全形成的阶段就开始不同的分化，但是它们在体积上的区别却是在神经管关

包括人类在内的脊椎动物的中枢神经系统由大小和形态截然不同的脑 (brain) 和脊髓 (spinal cord) 组成。它们来自早期胚胎的一个共同结构：神经管。虽然这两部分神经组织在神经管还未完全形成的阶段就开始不同的分化，但是它们在体积上的区别却是在神经管关闭之后才开始明显显现的，并且被认为需要神经管内液压的上升。在同样的液压下，脑部的膨胀却远远大于脊髓。这是脑在之后的形态发育上更加复杂的重要一步，这一步的失调可能导致相关的胚胎发育终止或者生育缺陷。神经管的不同区域特异的膨胀率背后的机制是未知的。

2025年5月9号，Developmental Cell发表了题为Differential tissue deformability underlies fluid pressure-driven shape divergence of the avian embryonic brain and spinal cord的文章。鸡胚的脑部膨胀发生在神经管完全关闭后24小时内，研究人员可以通过在蛋壳上开窗和在培养皿上移植胚胎等方式很便利地观察和干预神经管的发育过程。重要的是，结合创新的力学工具和理论，研究人员可以用从物理和材料的角度解读神经管的膨胀过程。

研究人员发现，尽管后脑和脊髓在发育过程中经历了相似的内部液体压力，但只有后脑的背部急剧膨胀，神经组织变得很薄。为什么会这样呢？原来，后脑背部组织比相应的脊髓背部组织更柔软、更易变形。这使得它能够在内部压力的作用下逐渐膨胀变薄，而脊髓背部则能保持之前的形状。

研究人员通过使用微小的磁性液滴和原子力显微镜的敏感探针测量了神经管的每个区域对压力的反应，发现了组织行为的这种差异。他们还发现，发育中的后脑中的细胞与脊髓中的细胞行为不同：它们会分解周围的支持结构，并更自由地重组。这一过程是由被称为神经嵴细胞的特殊细胞驱动的，这些细胞在形成后脑的神经管区域更为活跃。这些细胞通过重塑细胞间质帮助软化组织，使后脑组织更容易扩张。

当他们利用抑制剂阻止这种重塑活动时，后脑就无法正常扩张。值得注意的是，当他们将后脑背部细胞移植到相应的脊髓区域时，其中一些脑细胞可以使脊髓呈现出类似脑的扩张的形状。这表明细胞本身具备这种形变的属性而不依赖于液压之外的其它环境条件。

这项研究进一步表明，这些组织力学性质的不同是在神经管关闭之前就存在的。因此，早期的脑和脊髓组织的形态区分是“预先设计好的”，当神经管关闭之后内部液压上升，这些不同的力学属性决定了组织在压力下会有不同的表现，脑的背部急剧扩张而脊髓则保持形状。这项工作让我们更好地理解了大脑是如何获得最初的独特的扩张形态的。这个力学过程与神经嵴细胞之间的密切联系或许有助于解释动物复杂头部的进化过程。

这项工作的主要作者Susannah McLaren 是英国剑桥大学Gurdon研究所Fengzhu Xiong（熊风竹）的发育力学实验室 (xionglab.org) 的博士后研究员。该实验室通过交叉学科合作和新工具开发来研究早期胚胎发育中组织的力学机理。这项研究的合作者中，Shi-Lei Xue（薛时磊，西湖大学）和Edouard Hannezo (IST Austria) 开发了神经管在液滴压力作用下形变的理论模型。Alex Winkel和Kristian Franze (University of Cambridge and MPZ) 提供了原子力显微镜的技术支持。 Siyuan Ding, Oscar Baldwin, Shreya Dwarakacherla是参与了实验工作的本科实习生。

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(25)00248-5

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