哺乳動物的新皮質（neocortex，以下簡稱皮質）是個高度分化的組織，其中包含許多興奮性與抑制性神經元。興奮性神經元被認為是由腦室周邊（按：ventricular zone）的輻射膠狀前驅細胞（radial glial progenitors，RGP）經由不對稱分裂的方式產生，生成的神經元在皮質中呈現 “inside-out” 模式分布，也就是後生成的神經元會較先生成的神經元分布在更表層的位置。RGP 的分裂模式除了會不對稱分裂產生神經元（或其前驅細胞）以外，也會對稱地分裂生成更多 RGP，而這些過程（包含 RGP 對稱分裂的次數，或者是 RGP 從對稱分裂進入不對稱分裂的時機以及不對稱分裂的次數）究竟是隨機（stochastic）或者命定（deterministic）各有些許以視網膜為材料的研究和模型提供支持和反對，而在哺乳動物皮質發育的情形究竟如何則因各種技術上的困難少有人著墨。去年 11 月在《Cell》雜誌上，施松海（Song-Hai Shi）與 Simon Hyppenmeyer 的研究團隊利用 Mosaic Analysis with Double Markers（MADM）技術首度為這個問題提出解答。
什麼是 MADM？這是一個由宗輝（Hui Zong）和駱利群（Liqun Luo）於 2005 年為了研究小鼠神經發育所開發的技術 [2]。這個技術簡單來說是藉由在特定時期、特定細胞中誘導 Cre 表現，讓帶有兩種螢光蛋白 N 端基因的染色體與另一條帶有相應螢光蛋白 C 端基因的染色體在 G2 期發生重組，使得兩個子代細胞分別帶有任一螢光蛋白（稱為 X-segregation），或者其中一細胞帶有兩光蛋白而另一細胞不帶有任何螢光蛋白（稱為 Z-segregation）（如左圖）。
本研究藉由 MADM 系統在不同胚胎階段（E10-E13）誘導 Cre 表現以觀察出生以後 RGP 在大腦皮質中分裂、分化情形。研究結果指出小鼠在胚胎第 11-12 階段（E11-E12）是 RGP 從對稱分裂為主轉為以不對稱分裂為主的關鍵時期。從 E10 到 E12，不同 RGP 經由不對稱分裂所產生的神經元數目分布呈現高斯分布（平均為 8.4 個細胞），這與原先所預期的幾何分布（geometric distribution）大相逕庭，暗示了 RGP 從對稱分裂進入不對稱分裂並不是全然隨機、代與代間獨立的過程。而當我們觀察對稱分裂之 RGP 的子代時，則可發現 RGP 能夠產生的神經元數目隨著胚胎發育逐次降低，不過同代數的姊妹 RGP 細胞株的增殖潛能比例則一直維持一個度定的比值（約 1.6-1.7），如果 RGP 進入不對稱分裂而分化出神經元完全是隨機過程的話，則姊妹 RGP 所能產生的神經元數目比值將不會是定值而應該是彼此毫無關聯。
研究團隊指出：從以上實驗證據可以說明 RGP 能夠增殖幾次以及何時分化出神經元應該都是早已經被大自然設定好的發育過程。首先 RGP 會規律（每一胚胎階段約相差 1.3 個細胞週期）而對稱地分裂增殖，隨著每次增殖，其增殖的能力也會隨之下降。來自同一 RGP 的姊妹 RGP 會「相約」在特定階段一起發生不對稱分裂，每一個進入不對稱分裂的 RGP 細胞株都可產生約 8-9 個神經元。而這種「量子」（quantum）化的神經元產生方式說明了為何從 E10-E12 時期所標記的神經元數目為何會以各種期望值為 8 的倍數的高斯分布組合而成。
除了上述的研究重點，神經元的空間分布符合 “inside-out” 模型、神經膠細胞的發育，以及如果早期對稱分裂時期 RGP 缺乏特定轉錄因子 Otx1 會影響整體神經元數目等等也都是本篇研究重點。未來研究方向除了希望對於 RGP 不對稱分裂機制更加了解以外，也希望能夠對 RPG 逐步降低增殖潛力的分子機制加以探討。而心智功能越發達、皮質越豐富的動物是否意味較發達的 RGP 增殖情形也是相當耐人尋味的問題。
參考資料：
- Gao, P., Postiglione, M. P., Krieger, T. G., Hernandez, L., Wang, C., Han, Z., … Shi, S.-H. (2014). Deterministic Progenitor Behavior and Unitary Production of Neurons in the Neocortex. Cell, 159(4), 775–788. doi: 10.1016/j.cell.2014.10.027
- Zong, H., Espinosa, J. S., Su, H. H., Muzumdar, M. D., & Luo, L. (2005). Mosaic Analysis with Double Markers in Mice. Cell, 121(3), 479-492. doi: 10.1016/j.cell.2005.02.012
撰稿人｜謝典戰
左：駱利群等人在 2005 年為研究小鼠神經發育所發展的 MADM 技術。圖片來源：doi: 10.1016/j.cell.2005.02.012
右：施松海實驗室利用 MADM 技術針對哺乳類新皮質神經元分裂模式提出命定發生模型。圖片來源：doi: 10.1016/j.cell.2014.10.027
