你沒有兩個大腦 別被一則新聞稿騙了，真正的重點在發育生物學

一則新聞稿如何變成「兩個大腦」

上週稍晚，我們開始看到一些新聞標題，聲稱新研究顯示人類可能有兩個大腦，而不是核磁共振掃描上看起來的那一個。一如往常，這些傳言可以追溯到研究進行的大學之一所發布的單篇新聞稿。

你並沒有兩個大腦。用這種方式解讀這篇新論文的結果，是一種很荒謬的看法。

但還有更好的方式來看待這些結果，這些方式能幫助我們理解大腦是如何組裝起來的，也能說明發育生物學背後的一些基本概念。因此，讓我們來看看這項研究實際上顯示了什麼，並把它放進大腦發育的脈絡中。

神經系統也是分節發育的

你可能以為體節這種東西只會出現在甲殼類和昆蟲身上。但我們的神經系統也是以體節的方式發育。脊椎動物有四個主要體節：前腦、中腦、後腦與脊髓。（其中一些之後會在內部再發育出體節，但我們先略過不談。）這篇新論文的主要目的，是為一個顯而易見的問題提供部分解答：這些體節是怎麼形成的？

這類問題正是發育生物學的日常核心。這個領域關注的是生物如何從單一細胞開始，透過一連串精準計時且精心編排的過程，產生成年個體身上所有的組織。

要思考這個問題，我們需要一點背景知識。當第一批確定要發育成神經元的細胞出現時，脊椎動物胚胎已經知道自己哪邊是頭、哪邊是尾，哪邊是背、哪邊是腹。（我們不會深入探討胚胎如何得知這些，但我們對這點也了解很多。）當時胚胎由三種組織構成：內胚層，之後會形成腸道內襯；中胚層，會形成肌肉與骨骼；以及外胚層，之後會形成皮膚。

神經細胞的形成，是外胚層沿著胚胎中央從頭到尾增厚而來。這些緊密排列的細胞中央會下陷，兩側則向上摺起，最終形成一個橢圓形的管狀結構，並從其餘外胚層上斷開。所有沿著你的脊椎傳遞的訊號、你處理的每一個聲音與形狀、你將擁有的每一個念頭，全都依賴這些細胞的後代。

（雖然這裡呈現的是一種「脊椎動物如何發育」的通則，但不同物種之間有關鍵差異。在小鼠身上，神經組織的形成幾乎沿著整個頭尾軸同時發生。在雞身上，這個過程從頭部開始，緩慢地向尾部推進，以至於當部分未來將成為脊髓的細胞還不知道自己會變成神經細胞時，腦部結構已經在形成了。而蝌蚪會形成一條相當簡單的脊髓，並在變成青蛙的過程中擴展與重新組織。因此，雖然所有脊椎動物的整體過程相似，許多物種已將其調整為不同的發育風格。）

從外表來看，這些新形成的神經細胞看起來大致相同。所以我們又回到最初的問題：神經系統的體節是如何形成的？

記得，在這些細胞開始形成時，胚胎已經知道自己哪邊是頭、哪邊是尾。這帶出兩種非常簡單的可能性。其一，是神經細胞所源自的外胚層細胞已經知道自己身在何處，所以神經細胞從它們身上繼承了位置資訊。另一種可能是，神經細胞形成後，非神經的鄰居細胞可以送出訊號，告訴它們自己身在何處。因此，如果頭部的細胞製造出與尾部不同的訊號分子組合，這就能把位置資訊傳遞給發育中的神經系統，告訴它哪裡該形成大腦、哪裡該形成脊髓。

用螢光標記追蹤大腦的界線

這項新研究建立在數十年的研究之上，這些研究已找出許多早期過程的關鍵調控因子。其中一項早期發現是，早期胚胎的外胚層會活化兩個基因，一個在胚胎前半部，一個在後半部。因此，神經細胞至少能從它們所源自的外胚層繼承一些粗略的位置資訊。

這項研究的關鍵在於，研究人員修改了這些基因的一個拷貝，讓基因被轉譯成蛋白質的地方會活化螢光蛋白。於是，他們改造出早期外胚層一半發紅光、另一半發青色光的小鼠。當胚胎形成神經細胞、細胞開始發育成大腦時，這些顏色仍被保留下來。

他們發現，後腦發出紅光，而大腦其餘部分發出藍光。這項繼承而來的位置資訊，建立了大腦中一個關鍵的界線。換句話說，細胞一旦知道自己最終會發育成神經元，也就知道自己是否可能成為後腦的一部分，而不會成為中腦或前腦。（這大致就是新聞稿中「兩個大腦」說法的來源。）

其他實驗進一步擴展了這個發現。類似的基因工具讓他們能在早期外胚層的單一細胞中活化螢光蛋白。他們發現，在百分之九十六的情況下，這些單一細胞的後代全都位在後腦，或者全都位在中腦與前腦。他們也用人類幹細胞進行研究，顯示類似的情況也在那裡發生：暴露於正確的訊號會告訴幹細胞自己身在何處，而神經細胞在形成時繼承了這項資訊。如果你想形成只存在於後腦的神經元，就必須先讓幹細胞走上後腦這條路。

仍待釐清的邊界與彈性

這裡顯然仍可能存在一些彈性——他們觀察到的百分之九十六排他性行為並非百分之百。目前不清楚這是他們實驗系統的限制，還是單純因為位在外胚層前後交界處的細胞，只要稍微往正確方向移動，就可能改變命運。早期發育中事情發生得非常快，也不清楚我們所能觀察到的時序，與用來標記不同細胞的基因實際運作時序相比如何。

其他關鍵界線的情況也較不確定。中腦與前腦之間的差異似乎較晚出現，且很大程度上是由於擴散穿越發育中大腦、提供位置資訊的訊號分子作用所致。相較之下，關於後腦與脊髓如何採取不同命運，所知非常有限；這篇新論文只引用了一篇相關文獻。那篇文獻顯示，它們在發育極早期也屬於不同的命運，但這方面似乎還需要更多研究。

為什麼早期分節如此重要

顯然，我們大腦的不同區域與脊髓之後會形成非常不同的結構，日後執行非常不同的功能。因此，形成這些體節很重要。但不同身分在早期就建立起來也很重要——事實上，這對它們能夠如此不同地發育而言是不可或缺的。

這有兩個關鍵原因。第一，擁有不同的身分，能讓細胞以不同方式回應相同的訊號。例如，早期當神經系統還是相對簡單的管狀結構時，幾乎整個神經系統都暴露在同樣的兩種訊號之下：一種稱為 sonic hedgehog 的分子從管子底部擴散而來，而一組稱為 BMP 的分子則從頂部而來。

你可能會預期，既然管子裡所有細胞都是神經前驅細胞，它們應該會以相同方式回應相同的訊號。但它們並沒有。相反地，它們的體節身分會把這些訊號導向重疊但不同的反應組合，在大腦不同區域有所差異。換句話說，中腦細胞看到 BMP 時的反應方式，與脊髓細胞不同。透過在早期就把神經系統劃分開來，細胞繼承了一段發育歷史，讓有限數量的訊號能觸發極大的複雜性。

（發育歷史改變事物解讀方式，也讓訊號能夠被重複利用。BMP 最初告訴細胞是否要發育成神經元。之後，它們告訴發育中的神經元在成熟後該採取什麼身分。再之後，BMP 協助引導成熟神經元在發育中的脊椎裡遷移。我們不必演化出全新的訊號系統，就能做到不同的事情。）

另一點是，體節之間的接合處可以是一個獨特的環境，細胞在那裡會同時受到兩側相鄰身分的影響。例如，在中腦與後腦的交界處，細胞會活化一組獨特的基因，其中包括訊號分子，這些分子接著會影響界線兩側鄰近組織的發育。正如從上述內容可以預期的，這些在邊界製造的訊號會在中腦與後腦觸發不同反應，因為這兩個體節有不同的發育歷史。

這項研究真正告訴我們的事

這項新研究並沒有說明你實際上擁有多少個大腦（你有一個，內部包含數個不同區域），但它為一個謎題補上了另一塊拼圖：我們大腦令人難以置信的複雜性，是如何從一片平坦的細胞生成而來——而就在幾小時前，這些細胞還可能樂於發育成我們的皮膚。它也提供了一個很好的窗口，讓我們了解生物發育一般如何運作，以及我們可以進行哪些實驗，來幫助我們不管擁有多少個大腦，都能理解這些過程。