在人体内，祖细胞经过分裂后，其含有遗传物质的细胞核会被染成红色，而细胞内的能量工厂——线粒体则呈现绿色。通过显微镜观察可以发现，那些经历线粒体分裂的细胞会进一步分化成为神经元（如图所示的上半部分），而那些仍然保留着管状线粒体的细胞则继续作为祖细胞存在（如图所示的下半部分）。在显微镜下，祖细胞的细胞核被标记为蓝色，新生的神经元则呈现为白色。这些珍贵的影像资料来自于VIB – Ryohei Iwata的研究团队。
线粒体这一微小的细胞器，虽然在人体内广泛存在，但它们的主要职责是为每一个细胞提供生命活动所需的能量，特别是对于大脑这样高耗能的器官来说，线粒体的作用更是不可或缺。最近，发表在《科学》杂志上的一项重要研究成果，由比利时天主教鲁汶大学（VIK-KU Leuven, ULB）的Pierre Vanderhaeghen领衔的研究团队揭示了一个惊人的事实：线粒体不仅提供能量，还在大脑发育的关键环节中扮演着调控者的角色，它们影响着神经干细胞如何转变为神经细胞。研究人员发现，线粒体在特定的时间段内对神经细胞的命运转换产生着重要影响，而这一时间段在人类体内的持续时间比小鼠体内要长两倍。这一突破性的发现不仅拓展了我们对线粒体功能的认识，也可能为我们理解人类大脑为何如此庞大复杂，以及线粒体功能障碍如何引发神经发育障碍提供了新的视角。
我们的大脑由数十亿个形态和功能各异的神经元构成。这些神经元在胚胎发育过程中产生，当干细胞停止自我复制并分化为特定类型的神经元时，这一过程被称为神经发生（neurogenesis）。神经发生的精确调控过程产生了我们复杂的大脑结构。有科学家推测，神经干细胞在生成神经元过程中的微小差异，可能是导致人类大脑大小和复杂性显著增加的重要原因。
为了深入探究这一复杂的生物学过程，Pierre Vanderhaeghen教授及其团队对线粒体进行了深入研究。线粒体作为细胞的能量中心，为包括发育中的大脑在内的所有细胞提供必要的能量支持。
“线粒体功能障碍所引发的疾病常常导致多个器官的发育问题，尤其是大脑。” Vanderhaeghen解释道，作为一名干细胞和发育神经生物学的专家，他补充说：”我们过去认为，这与线粒体提供能量的功能有关，但这只是部分原因。近期的干细胞研究表明，线粒体对器官发育具有直接影响。因此，我们决定探究大脑是否也受到了这种影响，以及具体是如何受到影响的。”
在Vanderhaeghen的带领下，研究团队深入研究了线粒体重塑与神经生成过程中神经细胞命运之间的联系。他们指出：”线粒体是一种高度活跃的细胞器，既能融合也能分裂，而且它们的动态变化与不同类型干细胞的命运变化密切相关。”
岩田亮平（Ryohei Iwata），作为Vanderhaeghen实验室的博士后研究员，开发了一种创新的方法，能够在神经干细胞分化成神经元的实时过程中，更详细地观察线粒体的变化。”我们发现，在干细胞分裂后的极短时间内，即将自我更新的子细胞中的线粒体会发生融合，而即将分化成神经元的子细胞中的线粒体则表现出高水平的分裂。”岩田亮平详细描述了这一现象。
然而，这并非偶然现象：研究人员进一步证实，线粒体融合的增加确实推动了神经元命运的分化，而有丝分裂后的线粒体融合则重新引导子代细胞趋向于自我更新。
因此，线粒体的动态变化是成为神经元的关键过程，但故事并未就此结束。
Vanderhaeghen实验室的博士生Pierre Casimir指出：”我们发现，线粒体动态变化对细胞命运选择的影响仅限于一个有限的时间窗口——仅在细胞分裂之后。有趣的是，在人类体内，这个时间窗口的长度是小鼠的两倍。”
“以往的研究主要关注神经干细胞分裂前的命运决定，但我们的数据表明，细胞命运可以在更长的时间内受到调控，甚至发生在神经干细胞分裂之后。” Vanderhaeghen补充说。这一发现可能会对新兴的细胞重编程领域产生深远影响，例如科学家尝试将非神经细胞直接转变成神经细胞，以实现治疗目的。
“由于人类细胞的可塑性时期比小鼠细胞更长，我们可以推测，这一特性增强了人类祖细胞的自我更新能力，从而造就了我们独特的大脑和认知能力。考虑到线粒体在细胞内已经演化了超过十亿年，却可能在最近的人类大脑演化中发挥了作用，这确实令人惊叹。”
翻译：阿金
审校：戚译引
本文来自：中国数字科技馆