斯坦福科学家发现人脑实际上可能是两个独立的器官

人类大脑的前脑、中脑与后脑，究竟源于一个可生成全脑的共同神经外胚层祖细胞，还是在原肠胚形成期即由区域限定祖细胞平行产生？Nieuwkoop 曾提出神经外胚层具广谱潜能[1]；但斑马鱼、蛙、鸡和小鼠的经典命运图谱提示[2-5]，早期神经外胚层已偏向特定脑区。这些研究多未脱离胚胎原生信号环境，也未以异位信号检验其发育潜能，故难以区分「共同祖细胞受位置信号逐步限定」与「前、后部祖细胞早已谱系限定」两种模型。

2026 年 9 月 18 日，斯坦福大学 Kyle M. Loh 团队在 Nature Neuroscience 发表研究[6]。结合小鼠谱系追踪、人多能干细胞定向分化与染色质可及性分析，发现原肠胚期神经外胚层已分为 OTX2+ 前部与 GBX2+ 后部两条平行谱系，分别限定为前脑/中脑与后脑，异位信号不能使其互变。该工作重塑脑区起源模型，并建立人后脑菱脑节 5/6 运动神经元生成路径，为脑干肿瘤、脊髓性肌萎缩和肌萎缩侧索硬化等研究提供新平台。

图 1 文章来源

为探究早期神经外胚层是否均一，研究结合小鼠胚胎多重染色、单细胞测序及 hPS 细胞定向分化。在 E7.5 小鼠胚胎中，Sox2⁺ 神经外胚层已分为两个互斥群体：Otx2⁺ aNE 和 Gbx2⁺ pNE，分别对应经典命运图谱中将发育为前脑/中脑和后脑的区域；二者尚未表达 Sox1、Pax6 等晚期神经祖细胞标志，提示前后分化发生极早。人多能干细胞模型则重现了这一过程：抑制 BMP、TGFβ 和 WNT 可生成 OTX2⁺ aNE；在此基础上加入 FGF 和视黄酸（RA），可诱导 GBX2⁺ pNE，且 FGF 与 RA 需协同作用，单一信号不足以完成。该结果支持原肠胚期神经外胚层已分前、后两条平行谱系。

图 2 aNE 与 pNE 的体内外研究

随后，小鼠体内谱系追踪提供了更直接的证据。短时标记 E7.5 Gbx2⁺ pNE 后，其后代在 E8.5、E9.5 乃至 E18.5 均局限于后脑，基本不进入前脑和中脑；对 Sox2⁺ 神经外胚层进行稀疏克隆标记后，绝大多数细胞克隆也仅分布在前脑/中脑或后脑一侧。这表明，大脑区域分化并非始于脑泡形成之后，而可能早在原肠胚期就已建立。

图 3 aNE 与 pNE 的体内谱系追踪与体外谱系承诺实验

由于体内追踪仅反映天然命运，无法检验发育潜能，研究进一步利用 hPS 细胞模型。aNE 可分化为 FOXG1⁺SIX3⁺ 前脑或 EN1⁺ 中脑祖细胞，pNE 则分化为 MAFB⁺HNF1B⁺HOXA3⁺ 菱脑 5/6 后脑祖细胞。然而，pNE 给予前脑/中脑诱导信号不能转化，aNE 给予后脑信号亦不能转化，共培养时两者也基本遵守各自的谱系承诺，表明 aNE 与 pNE 已发生谱系限定。

图 4 hPS 细胞来源 aNE 与 pNE 的染色质可及性景观差异

接着，为解析 aNE 与 pNE 谱系限制的染色质基础，研究采用 Omni-ATAC-seq 比较二者的染色质可及性景观。结果显示，aNE 富集 OTX2 基序，而 pNE 富集 HOX、HNF1B、MAFB 及 FGF/RA 通路效应因子基序。在异位信号存在下，aNE 仍维持前脑样调控程序，pNE 亦维持后脑样调控程序。这表明，染色质景观在分化第 2 天即已预示区域命运限制，并可能构成二者不能互变的内在屏障。

图 5 体外诱导 hPS 细胞生成背侧前脑、腹侧前脑、背侧后脑和腹侧后脑祖细胞

在上述区域限定基础上，这些祖细胞可分化为互斥神经元：背侧/腹侧前脑分别生成 TBR1+ 谷氨酸能神经元和 DLX1+ 中间神经元；背侧后脑生成 TLX3+ 感觉样神经元；腹侧后脑生成 ISL1+ 运动神经元，表达 CHAT、HOXA1/3、PHOX2A/B，低表达脊髓标志，并具自发电活动与动作电位，为后脑运动神经元疾病提供平台。

图 6 体外诱导 hPS 细胞生成后脑运动神经元

最后，为了明确 aNE/pNE 是否为小鼠特有，研究在猕猴、鸡、斑马鱼原肠胚中均发现分离的 Otx+ Sox2+ aNE 与 Gbx+ Sox2+ pNE，鸡和斑马鱼中二者互斥；半索动物橡子虫囊胚/原肠胚期亦出现互斥 otx+/gbx+ 外胚层。半索动物与脊索动物约 5.5-6 亿年前共享祖先，提示该双祖细胞机制在后口动物中深度保守。

图 7 前、后外胚层祖细胞的进化保守性

前脑/中脑与后脑身份的分离，远比经典脑泡形成更早。本研究将这一分界追溯至原肠胚期：aNE 与 pNE 已命运限定、不能互转，且染色质景观分歧。与既往「共同脑祖细胞」模型的认识不同，提示大脑可能并非单一来源，而是由 aNE 与 pNE 两个平行祖细胞构成的复合器官；中枢神经系统或同样由多个区域特异祖细胞汇聚而成。该机制自橡子虫至猕猴保守，可追溯至约 5.5–6 亿年前。pNE 来源的菱脑 5/6 运动神经元平台，为脊髓性肌萎缩、肌萎缩侧索硬化等疾病建模提供了新入口。但短暂全脑祖细胞是否存在、小脑由何种祖细胞起源，仍是这一新框架下亟待回答的问题。

参考文献(上下滑动查阅)：

1. Nieuwkoop, P. D. Activation and organization of the central nervous system in amphibians. Part III. Synthesis of a new working hypothesis. J. Exp. Zool. 120, 83–108 (1952).

2. Woo, K. & Fraser, S. E. Order and coherence in the fate map of the zebrafish nervous system. Development 121, 2595–2609 (1995).

3. Keller, R., Shih, J. & Sater, A. The cellular basis of the convergence and extension of the Xenopus neural plate. Dev. Dyn. 193, 199–217 (1992).

4. Fernández-Garre, P., Rodríguez-Gallardo, L., Gallego-Díaz, V., Alvarez, I. S. & Puelles, L. Fate map of the chicken neural plate at stage 4. Development 129, 2807–2822 (2002).

5. Tam, P. P. L. Regionalisation of the mouse embryonic ectoderm: allocation of prospective ectodermal tissues during gastrulation. Development 107, 55–67 (1989)

6. Jokhai RT, Dundes CE, Ahsan HS, Kang RS, Salomon-Shulman REA, Rajan A, Kim YS, Stanton LJ, Xu C, Do S, McDonald BD, Andrade López JM, Urrutia HA, Greenfeld H, Wong A, Qu Y, Petkovic AS, Miao Y, Garcia KC, Monje M, Wagner DE, Bronner ME, Lowe CJ, Loh KM. Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain. Nat Neurosci. 2026 Sep 18.