犬马大脑皮层未成熟神经元的系统发育变异揭示脑容量与新皮质表面积的共变关系

本研究通过比较犬科和奇蹄目动物大脑皮层II层未成熟神经元(cINs)的分布特征，揭示了这类处于发育停滞状态的神经元数量与脑容量及新皮质扩张的共变关系，为理解大型哺乳动物大脑进化中的可塑性机制提供了新视角。研究采用双皮质素(DCX)免疫组化技术，证实cINs密度在大型脑动物中显著增加，支持其作为高阶认知功能的"细胞储备库"假说。

　　

在探索大脑可塑性的奥秘时，科学家们发现了一类特殊的神经元群体——皮层未成熟神经元(cortical immature neurons, cINs)。这些细胞如同被按下暂停键的"睡美人"，在胚胎发育早期就停止分化，却能在成年后重新激活并整合到神经环路中。传统观点认为，成年神经发生主要依赖神经干细胞增殖，但这种机制在进化过程中逐渐减弱，特别是在拥有复杂大脑的哺乳动物中。这就引出了一个关键科学问题：大型脑哺乳动物如何维持其广泛新皮质区域的可塑性？

意大利都灵大学神经科学研究所Cavalieri Ottolenghi的研究团队在《Brain Structure and Function》发表了一项突破性研究。他们选取了犬科动物（家犬）和奇蹄目（马）这两种脑容量差异显著的驯化物种，通过系统比较其大脑皮层II层cINs的分布特征，揭示了这类神经元在哺乳动物进化过程中的特殊意义。研究证实，cINs的数量与脑容量及新皮质表面积存在显著共变关系，为理解高等哺乳动物认知功能的神经基础提供了全新视角。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：(1)标准化脑组织处理流程，确保不同物种样本的可比性；(2)双皮质素(DCX)免疫组化结合多种细胞标记物(PSA-NCAM、NeuN、Ki67)共定位分析；(3)基于神经解剖学标志物划分四个冠状切面水平进行系统采样；(4)使用Neurolucida软件进行线性密度定量分析；(5)系统发育比较和回归分析评估脑容量与cINs密度的进化关系。

【cINs的特征鉴定】
研究首先在犬和马大脑中确认了cINs的关键特征：这些DCX阳性细胞主要分布在皮层II层，形态上分为小型简单的I型细胞（占比犬96.7%/马87%）和大型复杂的II型细胞。免疫荧光显示它们共表达未成熟标志物PSA-NCAM，部分II型细胞开始表达成熟神经元标记NeuN，但均不表达增殖标志Ki67，证实其"非分裂性神经发生"特性。特别值得注意的是，在马脑后部皮层发现了DCX+细胞簇状分布的特殊模式，这可能与马类特有的嗅觉记忆神经环路相关。

【定量分析结果】
通过标准化计数方法，研究发现马的cINs密度（全皮层中位数37.8 cells/mm）显著高于犬（28.3 cells/mm），估计单侧半球cINs总数分别达到1500万（犬）和1500万（马）。系统发育分析显示，食肉目动物（猫、狐、犬）的cINs密度普遍高于脑容量更大的灵长类（黑猩猩）和有蹄类（绵羊），而马作为脑容量最大的研究对象（几乎是黑猩猩两倍），其cINs密度仅次于猫。

【系统发育比较】
将数据与先前7个物种比较发现，cINs密度与脑容量（R²=0.69）及新皮质表面积（R²=0.72）均呈显著正相关。祖先特征重建表明，劳亚兽类（包括食肉目、偶蹄目和奇蹄目）具有最高的cINs密度，而啮齿类密度最低。这种分布模式支持"进化权衡"假说——随着脑容量增大，干细胞依赖性神经发生减少，转而通过扩大cINs储备来维持新皮质可塑性。

【讨论与意义】
这项研究由Alessia Pattaro等学者完成，其重要意义体现在三个方面：首先，证实cINs是哺乳动物大脑中保守的"备用神经元池"，其数量随脑进化显著扩张；其次，揭示了驯化动物（犬、马、猫）具有异常高的cINs密度，这可能与其适应人类环境的神经可塑性需求相关；最后，提出了新型脑储备机制——广泛分布且可随时激活的未成熟神经元群体，可能为神经退行性疾病治疗提供新思路。

研究还引发了对传统神经发生理论的重新思考：在大型脑哺乳动物中，cINs可能通过"无分裂的神经发生"方式，弥补了干细胞增殖能力下降带来的可塑性缺陷。这种机制特别适合维持高度复杂的新皮质网络，为高等认知功能提供持续的微调可能。正如作者Luca Bonfanti指出："这些处于休眠状态的神经元，可能是大自然为大型脑哺乳动物设计的独特解决方案。"