人类大脑最初是一个单独的细胞。随着时间的推移，这个孤独的细胞产生了一个极其复杂的器官，含有大约1700亿个细胞。发育神经科学中最大的一个问题是，所有这些细胞是如何最终到达正确位置以形成运作正常的大脑的。寒春港实验室的研究人员现在相信，答案可能出人意料的简单。他们的新研究提供了有关大脑在发育过程中如何组织自身的见解，并最终可能影响从生物学到人工智能等多个领域的研究。大脑细胞如何确定自己的身份，博士后研究员Stan Kerstjens在安东尼·扎多教授的实验室中解释了与位置相关的信息的挑战。“细胞所能‘看到’的只有自己和邻近的细胞，”他解释说。“但是，它的命运取决于它的位置。位于错误位置的细胞会变成错误的东西，导致大脑发育不正常。因此，每个细胞必须解决两个问题：我在哪里？我需要变成什么？”在《Neuron》杂志上发表的一项研究中，Kerstjens、Zador和哈佛大学以及苏黎世联邦理工学院的合作研究人员提出了一种新理论，描述了发育中的大脑是如何实现这种非凡水平的组织。超越化学信号，数十年来，科学家们主要认为细胞通过化学信号来传递位置相关信息。Kerstjens表示，这种解释在相对小的、细胞数量有限的系统中工作良好。然而，发育中的大脑包含数十亿个神经元，它们必须每个到达正确的位置。由于化学信号在传播过程中会减弱，研究人员长期以来一直想知道位于生长中的大脑深处的细胞如何能够准确确定它们的位置。Kerstjens建议，部分答案可能来自一种类似于人类群体在世代交替中扩散的过程。“考虑一下人类群体如何跨越国家在几代人中传播，”他说。“后代在父母附近定居，共享血统的人最终位于相邻地区，产生大规模的地理结构而不需要长距离通信。我们认为这一类似的原则在发育中的大脑中也起作用。来自同一祖先的细胞趋向于相互靠近。”测试基于谱系的模型，研究人员开发了一种称为“基于谱系的可扩展位置相关信息模型”。他们首先使用理论计算探索该概念是否可行。接下来，他们研究了发育中小鼠大脑的基因表达模式，同时考察了单个细胞和更大细胞群体的情况。最后，他们在斑马鱼中测试了该模型，并发现了类似的结果，表明该机制可能在不同规模的大脑中运行。这些发现表明，化学信号和细胞谱系可能共同作用于发育过程中的位置信息。生物学和人工智能的影响，尽管研究聚焦于大脑，Kerstjens表示，基础原理可以应用于许多其他发育组织，包括肿瘤。这一理论在未来自我复制的人工智能系统中也可能具有相关性。正如大脑细胞可以在代际中继承信息，未来从一代传递到下一代的人工智能模型也可能依赖类似的组织原则。或许最重要的影响是，该研究可能揭示智力本身的某些方面。理解单个细胞如何发展成一个高度组织的大脑，可能帮助科学家回答一些关于思想最深层的问题。“大脑以某种方式让我们变得聪明，”Kerstjens说。“它是如何在发育时间和进化时间上累积这种能力的？这只是这个大谜题中的一部分。”