哈佛医学院神经生物学家领导的一项新研究表明，调节哺乳动物骨骼生长和肌肉代谢的基因可能在人类和非人类灵长类动物中扮演着大脑成熟，认知和学习的促进者。

研究人员在11月10日的《自然》杂志上描述了他们的发现，研究人员说，他们的工作为进化的节约和创造性的基因重组提供了生动的例证。这些机制导致物种间的巨大变异，这些物种共享几乎相同的一组基因，但其生理机制却存在巨大差异。

研究表明，骨蛋白是一种在所有哺乳动物的骨骼肌中发现的基因，因其在骨骼生长和肌肉功能中的作用而广为人知。该基因在啮齿动物的大脑中被完全关闭，但在非人类灵长类动物和人类的大脑中却非常活跃。

值得注意的是，骨钙蛋白主要存在于新皮层的细胞内，而新皮层是灵长类动物大脑中最发达的部分，它调节人类的感官知觉，空间推理以及高级思维和语言。

研究人员说，该基因在负责高级功能和思维的大脑区域中的显着存在，暗示了在认知发展中的可能作用。认知是区分人类和非人类灵长类动物的大脑与其他哺乳动物的大脑的主要特征。 。

人类和其他灵长类动物的大脑发育受到感官体验和社交互动的深刻影响。长期以来，科学家一直试图揭开大脑中因经验而开启和关闭的基因，以促进这种复杂物种独特的大脑功能的发展。

HMS小组的发现-阐明人类大脑发育，功能和疾病的基础机制的不断探索的一部分-显示骨蛋白正是感觉刺激激活的一种这样的基因。此外，研究小组补充说，这是大脑中进化基因重新定位的第一个例证。

内森大学的高级研究员迈克尔·格林伯格说：“我们发现了我们认为是人类大脑进化的关键线索，这使我们可以窥探可能解释小鼠和人类之间认知差异的遗传机制。” Marsh Pusey神经生物学教授，HMS神经生物学系主任。

在他们的实验中，研究小组分析了小鼠，大鼠和人类脑细胞中的RNA水平-基因活性的分子足迹。科学家观察到，尽管许多相同的基因在小鼠和人类脑细胞中均被激活，但一小部分基因仅在人类脑细胞中被激活。令科学家惊讶的是，骨基因ostrincrin在人脑中的表达最高，但在小鼠的脑细胞中却完全封闭。

再往前走，科学家将来自这三种物种的脑细胞放入实验室培养皿中，并化学重建了模仿感觉刺激的条件。化学刺激在兴奋性神经元中选择性激活骨蛋白，因此称其为刺激而不是减弱神经信号的作用。但是研究人员指出了更有趣的事情：该基因的活性在新皮层的神经元中最为强烈，新皮层的神经元是覆盖大脑的最顶层细胞，负责更高层次的认知，例如长期记忆，思想和语言。与此同时，osteocrin来自负责非认知功能，如空间导航，平衡，呼吸，心脏速率和温度控制的脑的其它部分明显缺失。

当研究人员将骨钙蛋白水平与另一种脑蛋白BDNF的水平进行比较时，该蛋白以其在神经元生长和修复中的作用而闻名，他们注意到了另一个显着差异。尽管BDNF存在于整个大脑中，但骨钙蛋白仅限于新皮层，较小程度地局限于杏仁核，杏仁核被认为在记忆形成，决策和情绪反应中起作用。Osteocrin还明显表达于颞叶细胞中，后者具有学习，记忆和视听处理等功能;枕叶也具有视觉皮层，即大脑皮层中负责视觉信息处理的区域。

进一步的分析表明，在灵长类动物的大脑中，感觉刺激似乎是通过以前未知的DNA增强子开启了骨蛋白的。增强子-充当基因组调节剂的DNA片段-是打开某些基因而关闭其他基因的“手柄”。这样，增强子可以深刻改变基因表达，加剧具有几乎相同DNA的生物之间的巨大差异。分析显示，啮齿类骨蛋白缺乏刺激激活的DNA增强子。

在另一项重要的观察中，研究人员发现骨钙蛋白增强剂又被称为MEF2的蛋白质打开。研究人员说，MEF2的突变是公认的智力残疾和神经发育障碍的原因，因此，这两者之间的联系值得进一步研究，因为它可能预示骨钙蛋白在此类发育异常中的作用。

“人类与啮齿动物共享许多基因，并且在基因组的某些部分中共享多达90%的DNA，” HMS的神经生物学家第一作者第一作者Gabriella Boulting说。“在这种情况下，我们看到在不同位置增加相同基因的表达可能如何导致脑细胞功能的巨大差异。”