人類大腦新認(rèn)知！《科學(xué)》研究揭示大腦皮層的起源

人類的大腦皮層是感知世界、思考問題、做出行動(dòng)的重要基礎(chǔ)。但關(guān)于皮層，一直有一個(gè)根本性的問題長期困擾著神經(jīng)科學(xué)家：皮層究竟是怎么組織起來的？

歷史上，有兩種觀點(diǎn)爭論不休。一種認(rèn)為皮層是從海馬、梨狀皮層等古老的異皮層結(jié)構(gòu)向外擴(kuò)展的；另一種則堅(jiān)持初級感覺區(qū)域才是驅(qū)動(dòng)皮層發(fā)育和進(jìn)化的關(guān)鍵錨點(diǎn)。這兩類理論代表了探索皮層起源的不同視角。

近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心劉賜融研究組和孫怡迪研究組聯(lián)合華大研究院等多家單位合作在《科學(xué)》發(fā)表了重磅論文，研究團(tuán)隊(duì)為這一科學(xué)爭論帶來了新的轉(zhuǎn)折。研究整合多項(xiàng)技術(shù)，對狨猴大腦構(gòu)建了首個(gè)多模態(tài)分子圖譜。結(jié)果顯示，皮層差異并非隨機(jī)分布，而是形成了一條清晰的雙極梯度軸——Pr-Al軸。

著名神經(jīng)解剖學(xué)家 George Paxinos 教授在其評論文章Two Gradients, One Cortex中指出，與其糾結(jié)皮層究竟始于哪一端，不如觀察這兩極如何共同塑造了皮層全局。這一發(fā)現(xiàn)揭示了大腦皮層的本質(zhì)：它并非由孤立區(qū)域拼接而成的地圖，而是一個(gè)由相對錨點(diǎn)共同牽引、動(dòng)態(tài)生成的連續(xù)梯度系統(tǒng)。

根據(jù)論文，這條Pr-AI軸的一端是Pr梯度，來自初級感覺皮層，也就是負(fù)責(zé)視覺、聽覺和軀體感覺的區(qū)域；另一端是Al梯度，來自異皮層及其周邊區(qū)域，包括內(nèi)嗅皮層和梨狀皮層。這兩個(gè)梯度在空間上互為鏡像，共同定義了皮層細(xì)胞類型和基因表達(dá)的主要特征。

Paxinos 教授指出，過去看似互相排斥的兩種視角，實(shí)際上分別抓住了同一組織原則的兩個(gè)端點(diǎn) 。皮層的多樣性，正是沿著這條軸線連續(xù)變化而生的 。

▲一條對立分子梯度軸，串聯(lián)靈長類大腦皮層的分子、功能與連接組織（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)）

值得一提的是，Paxinos 教授將這條 Pr-Al 軸與耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)近期提出的MIND模型聯(lián)系到了一起。MIND模型確定了一條具有強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)錄程序的感覺運(yùn)動(dòng)-聯(lián)合-邊緣系統(tǒng) (S-A-L) 軸。

在Paxinos教授看來，新研究團(tuán)隊(duì)確定的 Pr-Al 軸和耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)描述的 S-A-L 軸在功能上是等效的：初級感覺區(qū)對應(yīng)感覺運(yùn)動(dòng)皮層，而異皮層區(qū)域?qū)?yīng)邊緣區(qū)域。

兩項(xiàng)研究共同發(fā)現(xiàn)，這樣的皮層組織邏輯并非狨猴獨(dú)有。

Paxinos教授指出，新研究的團(tuán)隊(duì)重新分析了小鼠、獼猴和人類的數(shù)據(jù)，證實(shí)相同的Pr-AI梯度在跨物種間普遍存在。耶魯大學(xué)的研究則證明，關(guān)鍵的分子表達(dá)模式從鳥類到靈長類都是保守的。這些發(fā)現(xiàn)共同確立了對立梯度框架是一個(gè)跨越至少9000萬年大腦進(jìn)化史的基本保守原則。

與此同時(shí)，這條軸又表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的發(fā)育過程。新研究發(fā)現(xiàn)從出生到成年，Pr-Al軸逐漸銳化；而MIND模型則發(fā)現(xiàn)在胎兒發(fā)育期間，基因表達(dá)就已經(jīng)開始向功能性軸轉(zhuǎn)變。兩項(xiàng)研究分別捕捉了分子程序的產(chǎn)前誘導(dǎo)和產(chǎn)后鞏固，共同描繪了一幅完整的皮層發(fā)育成熟圖景。

▲從兩種理論到同一條軸：皮層組織統(tǒng)一框架（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)）

此外，新研究發(fā)現(xiàn)靈長類中的丘腦-皮層分子對應(yīng)比小鼠更緊密，這可能與丘腦軸突更早到達(dá)并與皮層祖細(xì)胞進(jìn)行長時(shí)間互動(dòng)有關(guān)。這一點(diǎn)對于理解靈長類大腦尤其重要。

新研究將一個(gè)關(guān)于大腦的復(fù)雜謎題，壓縮成了一個(gè)清晰的組織圖景。Paxinos 教授認(rèn)為，這項(xiàng)工作的核心意義也正是在于確立了對立梯度框架作為大腦皮層的一個(gè)基本組織原則 。

在傳統(tǒng)視角下，皮層常被看作一系列腦區(qū)的集合：視覺區(qū)、聽覺區(qū)、體感區(qū)……每個(gè)區(qū)域都有自己的邊界和功能。而在新的梯度框架下，皮層呈現(xiàn)為一個(gè)連續(xù)變化的系統(tǒng)。腦區(qū)并不是彼此割裂再拼接而成的，而是在感覺皮層極和異皮層極之間的分子梯度中逐步涌現(xiàn)的。清晰的分子邊界出現(xiàn)在對立梯度相交的地方，這為區(qū)域特化提供了機(jī)制基礎(chǔ)。

Paxinos 教授還在評論文章指出，梯度交叉區(qū)可能是多模態(tài)感覺流的匯聚樞紐，這或許有助于解釋這些區(qū)域?yàn)槭裁磪⑴c抽象認(rèn)知，也為什么在神經(jīng)精神疾病中更容易受到影響。

參考資料：

[1] Huang Z, Yang Q, Li S, Zhu X, Wang H, Lin J, et al. An opposing molecular gradient axis underlies primate cortical organization. Science. 2026;392(6795):eaea2673. doi:10.1126/science.aea2673.

[2] Paxinos G, Kassem MS. Two Gradients, One Cortex. National Science Review. 2026; nwag235. doi:10.1093/nsr/nwag235.

[3] Tsyporin J, Zhang M, Qi C, Segal A, Finn T, Kim H, et al. Competing Programs Shape Cortical Sensorimotor-Association Axis Development. bioRxiv. 2025 Jun 27:2025.06.26.660775. doi:10.1101/2025.06.26.660775.

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