不同動物的大腦結(jié)構(gòu)千差萬別，但神經(jīng)元的位置是否決定了它們能形成什么樣的神經(jīng)回路、執(zhí)行什么功能，一直是個謎。

基于此，2025年12月31日，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)系Denis Jabaudon在nature neuroscience雜志發(fā)表了“Position-independent emergence of neocortical neuron molecular identity, connectivity and function”，揭示了新皮層神經(jīng)元的身份、連接和功能與其所在位置無關(guān)。

本研究通過分析Eml1基因敲除小鼠（其皮層下方出現(xiàn)位置異常的異位神經(jīng)元）發(fā)現(xiàn)：這些異位神經(jīng)元依然保持了原有的分子特征并能形成正確的長程連接，表現(xiàn)出與正常皮層神經(jīng)元一致的電生理特性。它們甚至能組織成功能性的感覺處理中心，精確再現(xiàn)體感拓?fù)鋱D譜，并對感覺刺激作出正常反應(yīng)。更令人驚訝的是，當(dāng)正常皮層被抑制時，小鼠的感覺分辨能力并未受損，說明異位神經(jīng)元足以獨立驅(qū)動這一功能。這項研究表明：相同的神經(jīng)環(huán)路和功能可以在不同的空間排布中形成，意味著多樣的腦結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)相似的功能輸出。

圖一 異位（Ht）神經(jīng)元重現(xiàn)了皮層神經(jīng)元的分子身份和空間排布特征

研究人員發(fā)現(xiàn)，即使新皮層神經(jīng)元因發(fā)育異常而錯位到皮層下方（形成異位灶，Ht），它們依然能保持與正常皮層神經(jīng)元幾乎相同的分子身份、細(xì)胞類型組成和區(qū)域化特征。

單核RNA測序顯示，異位神經(jīng)元的基因表達譜與正確位置的對應(yīng)細(xì)胞高度一致；空間轉(zhuǎn)錄組進一步證實，它們也按內(nèi)-外、前-后軸精確排布，重現(xiàn)了正常皮層的功能“地圖”。雖然異位區(qū)沒有典型的層狀結(jié)構(gòu)，而是以“核心-外殼”的同心圓方式組織（深部樣神經(jīng)元在內(nèi)，淺部樣在外），但其發(fā)育出生順序、分子標(biāo)記互斥性以及神經(jīng)元朝向的多樣性均保留了皮層的基本規(guī)律。譜系分析還表明，部分異位神經(jīng)元與皮層神經(jīng)元源自共同祖細(xì)胞。

這些結(jié)果表明：神經(jīng)元的身份和功能主要由內(nèi)在發(fā)育程序決定，而非依賴其所處位置：即使在錯誤地點，也能自組織成功能性的神經(jīng)回路。

圖二 Ht神經(jīng)元具有類似皮層神經(jīng)元的輸出連接模式和電生理特性

研究人員發(fā)現(xiàn)，即使神經(jīng)元“長錯地方”（位于皮層下方的異位區(qū)），它們依然能像正常皮層神經(jīng)元一樣“各司其職”。

這些異位神經(jīng)元不僅保留了正確的分子身份，還能長出合適的軸突：一部分連接脊髓、丘腦等皮層下結(jié)構(gòu)，另一部分則像正常皮層那樣，精準(zhǔn)投射到對側(cè)大腦或特定功能區(qū)域（如感覺或運動區(qū)），且投射模式嚴(yán)格遵循正常的“地圖規(guī)則”。

雖然它們的朝向雜亂、胼胝體連接略有缺陷，但功能上毫不遜色：電生理記錄顯示，它們的放電特性與真正的皮層輸出神經(jīng)元幾乎一模一樣。甚至通過fMRI還能看到異位區(qū)和上方皮層在活動上緊密同步。

只要內(nèi)在程序正確，神經(jīng)元哪怕位置錯了也能“連線正確、工作正?！?，說明大腦的功能更多取決于細(xì)胞自身的身份，而非它在哪兒。

圖三 Ht神經(jīng)元接收的軀體感覺輸入在解剖結(jié)構(gòu)和功能上均與正常皮層神經(jīng)元高度保守

研究人員發(fā)現(xiàn)，即使神經(jīng)元“長錯地方”，位于大腦皮層下方的異位區(qū)域，它們依然能像正常感覺皮層一樣接收和處理觸覺信息。

當(dāng)小鼠只用一根胡須感知環(huán)境時，不僅上方皮層中對應(yīng)的“桶狀結(jié)構(gòu)”被激活，下方異位區(qū)也同步出現(xiàn)一個功能相同的“影子桶”，兩者對同一根胡須的刺激做出幾乎一模一樣的反應(yīng)。解剖上，丘腦（傳遞觸覺信號的中繼站）的神經(jīng)纖維會同時投射到這兩個區(qū)域。

這些異位神經(jīng)元還能聚集成類似正常皮層第4層的結(jié)構(gòu)，表達相應(yīng)的分子標(biāo)志物。行為測試也證實：盡管大腦結(jié)構(gòu)異常，小鼠分辨不同胡須觸覺的能力完全正常。

總之，異位神經(jīng)元不是“擺設(shè)”，而是一個功能完整的“備用感覺模塊”：只要內(nèi)在程序正確，哪怕位置錯了也能照常工作。

圖四 異位神經(jīng)元能像正常皮層神經(jīng)元一樣執(zhí)行大腦皮層的核心功能

既然Ht神經(jīng)元在結(jié)構(gòu)和功能上都高度模擬了正常皮層，那它們是否真的能獨立支撐感覺行為？研究人員通過抑制實驗來驗證這一點。

首先，他們向皮層（Cx）或Ht分別注射藥物蠅蕈醇再讓小鼠執(zhí)行胡須分辨任務(wù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在正常小鼠中，關(guān)閉皮層會完全破壞分辨能力；但在Ht小鼠（cKO）中，關(guān)閉皮層幾乎不影響表現(xiàn)，說明它們不依賴上方皮層；而一旦關(guān)閉Ht，小鼠立刻無法感知或分辨胡須刺激。這表明，在這些突變小鼠中，Ht已成為主導(dǎo)感覺處理的核心中樞。

為排除藥物擴散等干擾，研究者又用更精準(zhǔn)的光遺傳抑制技術(shù)：在皮層表達一種光控“剎車”蛋白（stGtACR2）用藍(lán)光精準(zhǔn)關(guān)閉皮層神經(jīng)元。

行為測試再次證實：正常小鼠在光照下感知能力下降；而Ht小鼠即使皮層被關(guān)閉，仍能準(zhǔn)確檢測不同強度的胡須偏轉(zhuǎn)，心理物理曲線與對照組無異。這些結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)異常的小鼠中，異位區(qū)已取代皮層成為主導(dǎo)感覺處理的核心中樞，它不只是“備份”，而是真正承擔(dān)起皮層功能的“主力”。

總結(jié)

這項研究發(fā)現(xiàn)，新皮層神經(jīng)元的分子身份、連接和功能并不依賴其位置：即使錯位到皮層下方，它們?nèi)阅苷_“連線”、正常放電并獨立支撐感知行為。這表明神經(jīng)元功能由內(nèi)在程序決定，而非解剖位置。挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)“位置決定命運”的觀點，為理解腦發(fā)育、進化及修復(fù)提供了新視角：大腦在乎的是“你是誰、怎么工作”，而不是“你在哪里”。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02142-7

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