与部分报道不同，你并没有两个大脑
上周末，一些标题声称新研究表明人类可能拥有两个大脑，而不是核磁共振扫描中呈现的那一个。和往常一样，这些传言可以追溯到某所参与该研究的大学发布的一份新闻稿。
你并没有两个大脑。这是对这篇新论文结果的一种不恰当解读。
但还有更好的方式来解读这些结果，这些方式有助于我们理解大脑是如何构建的，并展示发育生物学背后的一些普遍规律。让我们来看看这项研究实际展示了什么，并将其置于大脑发育的背景中理解。
你在哪个位置
你可能认为身体分节这种现象只出现在甲壳类和昆虫等生物身上。但我们的神经系统其实也是分节发育的。脊椎动物有四个主要节段：前脑、中脑、后脑和脊髓（其中一些后来又会分出更细的节段，这里暂不展开）。这篇新论文主要聚焦于回答一个显而易见的问题：这些节段是如何形成的？
这类问题正是发育生物学的核心研究内容，该领域关注生物体如何从单个细胞出发，通过一系列精确计时、协调有序的过程，最终产生成体中的所有组织。
要理解这个问题，我们需要一些背景知识。在第一批注定要发育成神经元的细胞出现时，脊椎动物胚胎早已能分辨出头部与尾部、背部与腹部（我们不会深入讨论胚胎如何获得这种辨别能力，但这方面已有大量研究成果）。此时的胚胎由三种组织构成：内胚层，将来形成肠道内壁；中胚层，将来形成肌肉和骨骼；外胚层，将来发育成皮肤。
神经细胞是由外胚层增厚形成的，这条增厚带从头部到尾部贯穿胚胎中央。这些密集排列的细胞中心向下凹陷，两侧向上卷起，最终形成一个卵形管道，并从其余外胚层中分离出来。你脊柱中传递的所有信号、你处理的每一种声音和形状、你将拥有的每一个想法——所有这些都依赖于这些细胞的后代。
（虽然这里描述的是一种"脊椎动物通用发育方式"，但不同物种之间存在关键差异。在小鼠中，神经组织的形成几乎在从头到尾的整个维度上同时发生。在鸡胚中，这一过程从头部开始，缓慢向尾部推进，以至于在脑部结构已经开始形成时，未来构成脊髓的部分细胞甚至还不知道自己将成为神经细胞。而蝌蚪形成的是相对简单的脊髓，在其变态发育为青蛙的过程中会经历扩展和重组。因此，尽管总体过程在所有脊椎动物中相似，但许多物种已将其调整适应为不同的发育方式。）
从表面上看，所有这些新形成的神经细胞看起来大同小异。于是我们又回到了最初的问题：神经系统的各个节段是如何形成的？
请记住，在这些细胞开始形成时，胚胎已经能够分辨头尾。这引出了两种非常简单的可能性。一种是，神经细胞由之衍生的外胚层细胞本身已经知道自己所处的位置，因此神经细胞继承了来自它们的位置信息。另一种可能是，在神经细胞形成之后，其非神经的邻居细胞可以向它们发送信号，告知它们所处的位置。因此，如果头部的细胞产生的信号分子集合与尾部不同，这就可以将位置信息传递给正在发育的神经系统，告诉它应在何处形成大脑、何处形成脊髓。
大脑的划分
这项新研究建立在数十年来对早期发育关键调控因子研究的基础之上。此前的一个发现是，早期胚胎的外胚层会激活两个基因，一个在胚胎前半部分，一个在后半部分。因此，神经细胞至少可以从其衍生的外胚层那里继承一些粗略的位置信息。
这项工作的关键在于，研究人员对这些基因的拷贝进行了改造，使其在任何被翻译为蛋白质的地方都能激活荧光蛋白。于是，他们培育出了这样的小鼠：早期外胚层的一半发红色荧光，另一半发青色荧光。当胚胎形成神经细胞并逐渐发育成大脑时，这些颜色标记得以保留。
他们发现，后脑发红色荧光，而大脑其余部分则发蓝色荧光。这种继承而来的位置信息构建了大脑中的一个关键边界。换句话说，细胞一旦确定自己将来会发育为神经元，就已经知道自己是否有可能形成后脑的一部分，而不是中脑或前脑（这大致就是新闻稿中"两个大脑"说法的由来）。
其他实验对此进行了拓展。类似的基因工具让研究人员能够在早期外胚层的单个细胞中激活荧光蛋白。他们发现，在96%的情况下，这些单个细胞的后代要么全部位于后脑，要么全部位于中脑和前脑。他们还用人类干细胞进行了实验，发现了类似的现象：接触正确的信号会告诉干细胞它们所处的位置，神经细胞在形成时会继承这一信息。如果你想形成只存在于后脑中的神经元，就必须先让干细胞走上后脑发育的路径。
这里显然仍可能存在一定的灵活性——他们观察到的96%排他性行为并非100%。目前尚不清楚这是他们实验系统的局限性，还是仅仅因为前后外胚层边界处的细胞如果稍微向正确方向偏移，就可能改变命运。早期发育的进程非常迅速，我们目前尚不清楚可观察现象的时间进程与用来标记不同细胞的基因活动的时间进程之间的对应关系。
其他关键边界处发生的情况则更不确定。中脑与前脑之间的差异似乎出现得较晚，且主要是由在发育中的大脑内扩散并提供位置信息的信号分子作用所致。相比之下，人们对后脑与脊髓如何形成不同命运知之甚少；这篇新论文在这一主题上仅引用了一篇参考文献。该文献表明，二者在发育极早期也是独立的命运分支，但看来这方面还需要更多研究工作。
这一切为何重要
显然，大脑和脊髓的不同区域后来会形成截然不同的结构，进而执行截然不同的功能。因此，这些节段的形成至关重要。但同样重要的是，这些不同的身份特征需要在早期就确立下来——事实上，这正是它们能够以如此不同方式发育的关键所在。
这背后有两个主要原因。第一个原因是，拥有不同的身份特征使得细胞能够以不同方式响应相同的信号。例如，在发育早期，当神经管还相对简单时，几乎整个神经系统都暴露在相同的两种信号之下：一种叫做音猬因子的分子从管道底部扩散而来，另一组叫做BMP的分子则从顶部扩散而来。
你可能会认为，既然神经管的所有细胞都是神经前体细胞，它们应该以相同方式响应相同的信号。但事实并非如此。相反，它们的节段身份将这些信号导向了不同的、有所重叠的响应集合，这些响应在大脑不同区域有所差异。换句话说，当中脑细胞接收到BMP信号时，其反应方式与脊髓细胞不同。通过早期就将神经系统划分开来，细胞继承了一段发育历史，使得数量有限的信号能够触发大量的复杂性。
（发育历史改变信号解读方式的这种特性，也使得信号可以被反复利用。BMP最初告诉细胞是否要发育为神经元。随后，它们告诉正在发育的神经元一旦成熟后应采取何种身份。再往后，BMP还协助引导成熟神经元在发育中的脊髓内迁移。我们不需要为了实现不同功能而进化出全新的信号系统。）
另一个原因是，节段之间的交界处可能构成一个独特的环境，在这里，细胞会同时受到两侧相邻身份特征的影响。例如，在中脑与后脑的交界处，细胞会激活一组独特的基因，其中包括一些信号分子，这些分子会继续影响交界两侧相邻组织的发育。正如你从上文所预期的那样，这些在边界处产生的信号会在中脑和后脑中触发不同的反应，因为这两个节段有着不同的发育历史。
尽管这项新研究并没有说明你到底拥有几个大脑（答案是一个，内部包含若干个不同的区域），但它为解开这样一个谜题提供了新的拼图：我们的大脑那令人惊叹的复杂性，究竟是如何从一片扁平的细胞层中产生的——而就在几小时之前，这片细胞层原本还可能安然地发育成我们的皮肤。这项研究也让我们得以一窥生物体发育的一般运作方式，以及无论我们拥有多少个大脑，都可以借助哪些实验来帮助理解这些过程。
Q&A
Q1：人类真的拥有两个大脑吗？
A：不是。这种说法源自一篇新闻稿对研究结果的不准确解读。实际上人类只有一个大脑，只是内部包含前脑、中脑、后脑等多个不同区域，这项新研究揭示的是这些区域如何在发育早期就确立各自的身份。
Q2：大脑的不同区域是如何在发育过程中划分出来的？
A：研究发现，神经细胞在形成之初就从其衍生的外胚层细胞那里继承了位置信息。通过荧光标记实验，科学家观察到早期外胚层细胞的后代要么完全进入后脑，要么完全进入中脑和前脑，这种分化在96%的情况下具有排他性。
Q3：为什么大脑各区域的身份需要在发育早期就确定？
A：主要有两个原因：一是不同身份让细胞能以不同方式响应相同的信号分子，从而用有限的信号触发丰富的发育结果；二是不同节段交界处会形成特殊环境，产生影响两侧组织发育的独特信号。