科学家发现单个细胞如何构建一个有1700亿个细胞的大脑

据美国冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)2026年6月25日报道(Cold Spring Harbor Laboratory. "Scientists discover how a single cell builds a brain with 170 billion cells." ScienceDaily, 25 June 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260618041524.htm)，一个细胞如何构建一个拥有数十亿个精确组织的神经元的大脑？研究人员认为，脑细胞使用它们的谱系——它们的细胞家谱——作为一种位置图。来自同一祖先的细胞彼此靠近，帮助大脑在不完全依赖化学信号的情况下自我组织。一个令人惊讶的简单规则——脑细胞紧贴祖先——可能有助于解释单个细胞如何构建智能大脑。

人脑最初是一个单细胞。随着时间的推移，这个孤立的细胞会产生一个非常复杂的器官，其中包含大约1700亿个细胞。发育神经科学中最大的问题之一是所有这些细胞如何最终在正确的地方形成一个功能正常的大脑。

冷泉港实验室的研究人员现在认为，答案可能出奇地简单。他们的新工作提供了对大脑在发育过程中如何组织自身的见解，并可能最终影响从生物学到人工智能等领域的研究。

脑细胞如何确定其身份

Anthony Zador教授实验室的博士后研究人员Stan Kerstjens从位置信息的角度解释了这一挑战。他解释说：“细胞‘看到’的唯一东西就是它自己和它的邻居。但它的命运取决于它所处的位置。一个位于错误位置的细胞会变成错误的东西，大脑也不会正常发育。因此，每个细胞都必须解决两个问题：我在哪里？我需要成为谁？”

已经在《 神经元》(Neuron)发表的研究结果——Stan Kerstjens, Florian Engert, Rodney J. Douglas, Anthony M. Zador. A lineage-based model of scalable positional information in vertebrate brain development. Neuron, 2026; 114 (9): 1623 DOI: 10.1016/j.neuron.2025.12.043. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2025.12.043

Stan Kerstjens、Anthony M. Zador以及哈佛大学(Harvard University)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的合作者提出了一种新理论，描述了发育中的大脑如何达到这种非凡的组织水平。

超越化学信号

几十年来，科学家们普遍认为细胞通过化学信号传递位置信息。根据Kerstjens的说法，这种解释在细胞数量有限的相对较小的系统中效果良好。然而，发育中的大脑包含数十亿个神经元，每个神经元都必须到达正确的位置。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准确地确定它们的位置。

Kerstjens认为，部分答案可能来自一个类似于人类世代传播方式的过程。他说：“想想人口是如何在一个国家几代人中传播的。后代定居在父母附近，所以有共同祖先的人最终会来到邻近地区，在没有远程通信的情况下产生大规模的地理结构。我们认为，类似的原理在发育中的大脑中起作用。来自同一祖先的细胞倾向于保持彼此靠近。”

测试基于谱系的模型

为了研究这个想法，研究人员开发了他们所说的“基于谱系的可扩展位置信息模型”( "lineage-based model of scalable positional information")。他们首先使用理论计算来探索这一概念是否可行。接下来，他们研究了发育中的小鼠大脑中的基因表达模式，观察了单个细胞和较大的细胞群。最后，他们在斑马鱼身上测试了该模型，发现了类似的结果，表明该机制可能在不同大小的大脑中发挥作用。

研究结果表明，化学信号和细胞谱系可能共同作用，在发育过程中提供位置信息。

对生物学和人工智能的影响

尽管这项研究的重点是大脑，但Kerstjens说，其基本原理可以应用于许多其他发育中的组织，包括肿瘤。

该理论也可能与未来的自我复制人工智能系统有关。正如脑细胞可以在几代细胞之间继承信息一样，未来将信息从一代传递给下一代的人工智能模型也可能依赖于类似的组织原则。

也许最重要的含义是这项工作可以揭示智力本身。了解单个细胞如何发育成高度有序的大脑可能有助于科学家回答一些关于大脑的最深层次问题。

“大脑以某种方式使我们变得聪明，”Kerstjens说。“它是如何积累这种能力的，不仅是在它的发展过程中，而且是在进化过程中？这是这个大难题中的一部分。”

上述介绍仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或相关报道(https://www.cshl.edu/a-new-theory-of-brain-development/)。

支持单位：