Nat Neurosci ：錯位的大腦，依然能正常思考？瑞士日內瓦大學團隊揭示神經元功能位置無關機制

不同動物的大腦結構千差萬別，但神經元的位置是否決定了它們能形成什么樣的神經回路、執行什么功能，一直是個謎。

基于此，2025年12月31日，瑞士日內瓦大學基礎神經科學系Denis Jabaudon在nature neuroscience雜志發表了“Position-independent emergence of neocortical neuron molecular identity, connectivity and function”，揭示了新皮層神經元的身份、連接和功能與其所在位置無關。

本研究通過分析Eml1基因敲除小鼠（其皮層下方出現位置異常的異位神經元）發現：這些異位神經元依然保持了原有的分子特征并能形成正確的長程連接，表現出與正常皮層神經元一致的電生理特性。它們甚至能組織成功能性的感覺處理中心，精確再現體感拓撲圖譜，并對感覺刺激作出正常反應。更令人驚訝的是，當正常皮層被抑制時，小鼠的感覺分辨能力并未受損，說明異位神經元足以獨立驅動這一功能。這項研究表明：相同的神經環路和功能可以在不同的空間排布中形成，意味著多樣的腦結構也能實現相似的功能輸出。

圖一 異位（Ht）神經元重現了皮層神經元的分子身份和空間排布特征

研究人員發現，即使新皮層神經元因發育異常而錯位到皮層下方（形成異位灶，Ht），它們依然能保持與正常皮層神經元幾乎相同的分子身份、細胞類型組成和區域化特征。

單核RNA測序顯示，異位神經元的基因表達譜與正確位置的對應細胞高度一致；空間轉錄組進一步證實，它們也按內-外、前-后軸精確排布，重現了正常皮層的功能“地圖”。雖然異位區沒有典型的層狀結構，而是以“核心-外殼”的同心圓方式組織（深部樣神經元在內，淺部樣在外），但其發育出生順序、分子標記互斥性以及神經元朝向的多樣性均保留了皮層的基本規律。譜系分析還表明，部分異位神經元與皮層神經元源自共同祖細胞。

這些結果表明：神經元的身份和功能主要由內在發育程序決定，而非依賴其所處位置：即使在錯誤地點，也能自組織成功能性的神經回路。

圖二 Ht神經元具有類似皮層神經元的輸出連接模式和電生理特性

研究人員發現，即使神經元“長錯地方”（位于皮層下方的異位區），它們依然能像正常皮層神經元一樣“各司其職”。

這些異位神經元不僅保留了正確的分子身份，還能長出合適的軸突：一部分連接脊髓、丘腦等皮層下結構，另一部分則像正常皮層那樣，精準投射到對側大腦或特定功能區域（如感覺或運動區），且投射模式嚴格遵循正常的“地圖規則”。

雖然它們的朝向雜亂、胼胝體連接略有缺陷，但功能上毫不遜色：電生理記錄顯示，它們的放電特性與真正的皮層輸出神經元幾乎一模一樣。甚至通過fMRI還能看到異位區和上方皮層在活動上緊密同步。

只要內在程序正確，神經元哪怕位置錯了也能“連線正確、工作正常”，說明大腦的功能更多取決于細胞自身的身份，而非它在哪兒。

圖三 Ht神經元接收的軀體感覺輸入在解剖結構和功能上均與正常皮層神經元高度保守

研究人員發現，即使神經元“長錯地方”，位于大腦皮層下方的異位區域，它們依然能像正常感覺皮層一樣接收和處理觸覺信息。

當小鼠只用一根胡須感知環境時，不僅上方皮層中對應的“桶狀結構”被激活，下方異位區也同步出現一個功能相同的“影子桶”，兩者對同一根胡須的刺激做出幾乎一模一樣的反應。解剖上，丘腦（傳遞觸覺信號的中繼站）的神經纖維會同時投射到這兩個區域。

這些異位神經元還能聚集成類似正常皮層第4層的結構，表達相應的分子標志物。行為測試也證實：盡管大腦結構異常，小鼠分辨不同胡須觸覺的能力完全正常。

總之，異位神經元不是“擺設”，而是一個功能完整的“備用感覺模塊”：只要內在程序正確，哪怕位置錯了也能照常工作。

圖四 異位神經元能像正常皮層神經元一樣執行大腦皮層的核心功能

既然Ht神經元在結構和功能上都高度模擬了正常皮層，那它們是否真的能獨立支撐感覺行為？研究人員通過抑制實驗來驗證這一點。

首先，他們向皮層（Cx）或Ht分別注射藥物蠅蕈醇再讓小鼠執行胡須分辨任務。結果發現：在正常小鼠中，關閉皮層會完全破壞分辨能力；但在Ht小鼠（cKO）中，關閉皮層幾乎不影響表現，說明它們不依賴上方皮層；而一旦關閉Ht，小鼠立刻無法感知或分辨胡須刺激。這表明，在這些突變小鼠中，Ht已成為主導感覺處理的核心中樞。

為排除藥物擴散等干擾，研究者又用更精準的光遺傳抑制技術：在皮層表達一種光控“剎車”蛋白（stGtACR2）用藍光精準關閉皮層神經元。

行為測試再次證實：正常小鼠在光照下感知能力下降；而Ht小鼠即使皮層被關閉，仍能準確檢測不同強度的胡須偏轉，心理物理曲線與對照組無異。這些結果表明，在結構異常的小鼠中，異位區已取代皮層成為主導感覺處理的核心中樞，它不只是“備份”，而是真正承擔起皮層功能的“主力”。

總結

這項研究發現，新皮層神經元的分子身份、連接和功能并不依賴其位置：即使錯位到皮層下方，它們仍能正確“連線”、正常放電并獨立支撐感知行為。這表明神經元功能由內在程序決定，而非解剖位置。挑戰了傳統“位置決定命運”的觀點，為理解腦發育、進化及修復提供了新視角：大腦在乎的是“你是誰、怎么工作”，而不是“你在哪里”。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02142-7

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