早期出生后小鼠脑发育图谱（epDevAtlas）的构建。图片来源：Nature Communications (2025)。DOI：10.1038/s41467-025-64549-x
大脑的生长与成熟并非线性推进的过程，而是一场由基因与外界刺激（如视觉与听觉）共同编排的“动态舞蹈”。来自宾夕法尼亚州立大学医学院（Penn State College of Medicine）和艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）的研究团队，首次绘制出一张能够精确呈现小鼠脑内关键细胞类型变化的高分辨率生长图谱。这项成果发表于《Nature Communications》。
研究人员利用先进的三维成像技术，构建了一系列小鼠脑的3D图谱，像是一部“时间推移影片”，完整记录了出生后前两周这一关键发育阶段的大脑变化，为研究正常脑发育和神经发育障碍提供了前所未有的工具。
“以往的大脑生长图就像模糊的照片，而我们制作的是可以分辨到单个细胞的高清图像，”论文通讯作者、宾州州立大学医学院神经科学与实验治疗学教授Yongsoo Kim表示，“这让大脑发育的细节清晰呈现。”
小鼠脑在结构和神经回路上与人脑高度保守，因此可作为人类早期脑发育的重要模型。研究人员指出，小鼠出生后两周的发育阶段大致相当于人类从妊娠晚期到幼儿早期这一关键窗口——此时大脑迅速成熟，也开始对外部刺激（如光线和声音）作出反应，从而塑造脑区体积变化与神经网络的连线方式。
Kim解释道：“许多神经发育障碍，如自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder），就是在这一阶段逐渐显现的。问题一旦出现在早期发育阶段，就可能随着大脑的成长被放大。那些快速扩张的脑区往往也是最脆弱的。”
研究团队使用名为serial two-photon tomography的先进成像技术，从小鼠出生后第4天起，每隔一天扫描整个脑部，直至第14天，最终构建出高分辨率的三维生长图谱。这种方法能在显微尺度上呈现每个细胞在大脑中的精确位置。
结果显示，大脑的生长并非均匀进行。其中，小脑（cerebellum）的体积增长最为显著——该脑区位于头部后方，主要负责运动协调、平衡控制，同时也参与部分认知功能。
团队还重点分析了两类关键细胞类型的变化，以揭示脑部神经回路在发育过程中的重塑机制。
第一类是GABA能神经元（GABAergic neurons），它们在大脑中起“刹车”作用，抑制过度兴奋的神经活动。Kim指出，许多神经发育障碍都与这种“刹车系统”失灵有关。研究发现，这类细胞在皮层（cortex）中的密度在出生后迅速下降，并在第12天左右趋于稳定；而在与运动与奖赏相关的纹状体（striatum）中，其密度则显著上升，显示GABA神经元的分布在出生后仍处于动态调整状态。
第二类是小胶质细胞（microglia），即大脑中的免疫细胞。Kim将它们比作“园丁”，负责修剪神经元与突触连接，帮助塑造更精确的神经网络。研究发现，小胶质细胞在出生后第8天前主要集中在脑白质（white matter）中，但到了第10天左右，其分布明显转移至灰质（gray matter）区域，并在处理感觉信息的脑区密度升高——恰好对应小鼠开始睁眼、听觉发育的阶段。
宾夕法尼亚州立大学医学院和艾伦脑科学研究所的研究团队绘制了小鼠大脑发育的详细图谱，为大脑发育提供了新的见解。图片来源：Kim实验室/宾夕法尼亚州立大学
Kim认为，这一变化可能表明，小胶质细胞会根据外部刺激（如视觉与听觉）参与大脑的成熟过程。
此外，研究团队还制作了一个公开可交互的在线数据库，让其他科研人员能够浏览、分析和整合这些高分辨率的大脑发育图谱。
“这项工作的真正意义在于，我们为大脑发育提供了一个空间框架。”Kim表示，“未来，其他研究者可以在此基础上进行更高层次的综合分析，将分子、细胞与空间信息结合起来，描绘出更完整的大脑发育全景。”
参考文献：Josephine K. Liwang et al, epDevAtlas: mapping GABAergic cells and microglia in the early postnatal mouse brain, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64549-x
编辑：王洪
排版：李丽
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