人類大腦新認(rèn)知！《科學(xué)》研究揭示大腦皮層的起源

來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯

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(zhǎng)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(zhēng)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(jí)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(zhēng)論帶來了新的轉(zhuǎn)折。研究整合多項(xiàng)技術(shù)，對(duì)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(píng)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(duì)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(jí)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(duì)立分子梯度軸，串聯(lián)靈長(zhǎng)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(jí)感覺區(qū)對(duì)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(zhǎng)類都是保守的。這些發(fā)現(xiàn)共同確立了對(duì)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(zhǎng)類中的丘腦-皮層分子對(duì)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(zhǎng)時(shí)間互動(dòng)有關(guān)。這一點(diǎn)對(duì)于理解靈長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(píng)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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