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这篇研究揭示了鸟类胚胎发育中，神经管腔压力（通过实验测定其数值变化）驱动后脑扩张（如通过插管、药物处理实验验证），且后脑与脊髓背侧组织材料特性不同（借助磁珠、原子力显微镜等技术发现），神经嵴介导的细胞外基质（ECM）重塑参与其中，为理解脊椎动物头部进化提供新视角。
鸟类胚胎脑与脊髓形态差异的力学调控机制
在生命科学领域，胚胎发育过程中组织和器官的形态建成一直是研究的重点。其中，脊椎动物中枢神经系统的发育，尤其是大脑和脊髓的形态差异形成机制，备受关注。鸟类胚胎作为研究这一过程的重要模型，为我们揭示其中奥秘提供了关键线索。
在鸟类胚胎发育进程里，神经管闭合之后，大脑会经历显著扩张，其形态与脊髓逐渐分化。大脑的扩张对脊椎动物复杂行为的发展至关重要，它使得动物能够更好地适应多样的生态环境。然而，长久以来，大脑和脊髓在胚胎发育过程中如何实现差异化扩张，一直是未解之谜。
研究发现，神经管壁内的流体静压在这一过程中发挥着关键作用。在鸟类胚胎中，神经管闭合后不久，大脑开始扩张，而脊髓相对稳定。在大脑扩张前，神经管前后端存在开口，使得管腔与外界相通，此时不存在压力差。随着大脑开始扩张（约 Hamburger - Hamilton [HH] 13 期），这些开口逐渐变窄并闭合。研究人员通过测量发现，在大脑扩张初期（HH13 - 15 期），管腔内压力约为 15Pa，随着扩张进行（HH19 - 21 期），压力升高至约 25Pa 。
为了探究压力对组织形态的影响，研究人员进行了一系列实验。他们发现，随着压力增加，后脑背侧组织厚度明显变薄，形成单细胞层上皮，而脊髓背侧组织则变化较小。通过插管实验，将胚胎的神经管腔与外界连通以平衡压力，结果发现后脑背侧变薄和扩张受到抑制，这表明神经管腔压力是驱动后脑背侧组织变薄的重要因素 。同时，使用 β - D - xyloside（BDX）处理胚胎，渗透压增加使管腔压力升高约 30%，这导致后脑背侧薄化的顶板扩张和延伸，而脊髓管腔虽有适度增大，但背侧并未变薄。这些实验充分证明，神经管壁内的流体静压是导致后脑和脊髓形态差异的关键驱动力。
进一步研究发现，后脑和脊髓背侧组织的材料特性存在显著差异。最初的假设认为，组织初始曲率或邻近组织的限制可能影响神经管形态。但实验表明，改变脊髓背侧曲率并不能使其产生类似后脑的背侧组织变薄现象，这排除了这些因素的主导作用 。通过向胚胎的后脑或脊髓注入铁磁流体油滴，并观察液滴引起的组织变形，研究人员发现液滴在脊髓中产生的压力更高，但后脑背侧组织的厚度变化更大，这意味着后脑背侧组织更具可变形性。利用原子力显微镜（AFM）对后脑和脊髓背侧区域进行压痕测量，结果也显示后脑的流动性更高 。这些实验结果表明，后脑和脊髓背侧组织的材料特性差异，是导致它们在相同压力下呈现不同变形的重要原因。
深入探究组织变形性的机制发现，神经嵴细胞在其中扮演着关键角色。在胚胎发育至大脑扩张阶段（HH9 - 12 期），神经嵴细胞位于神经管背侧组织。研究观察到，HH12 期胚胎中，脊髓背侧的肌动蛋白和肌球蛋白呈现明显的顶端组织形式，而后脑的神经嵴区域这种组织形式则基本缺失，这表明后脑背侧细胞正从上皮细胞状态转变为间充质细胞状态。
同时，神经嵴细胞的迁移模式在脑和脊髓区域也有所不同。以 Snail2 为标记物研究发现，在大脑扩张前期，脊髓区域的 Snail2 + 细胞以逐个细胞的方式迁移，而后脑区域的细胞则以集体波浪式迁移 。神经嵴细胞能够利用基质金属蛋白酶（MMPs）重塑周围的细胞外基质（ECM）。研究观察到，与脊髓相比，后脑背侧的层粘连蛋白重新分布更为明显，且背侧层粘连蛋白涂层更稀疏，这表明后脑的 ECM 正在被积极重组和重新分布 。
为了验证 ECM 重塑在后脑背侧变薄中的作用，研究人员使用 MMP 特异性小分子抑制剂（GM6001）处理胚胎。结果显示，抑制剂处理的胚胎大脑扩张减少，后脑背侧表面积变小，且背侧变薄受到抑制，层粘连蛋白表面的破坏也减少 。这一系列实验结果表明，神经嵴细胞的间充质行为以及随后的 ECM 重塑，是后脑背侧变薄和扩张的必要条件。
研究人员还进行了移植实验，将早期后脑背侧组织或脊髓组织（作为对照）从 GFP + 胚胎移植到野生型宿主胚胎的脊髓背侧区域。结果发现，部分移植后脑组织的胚胎在移植区域出现了背侧组织变薄现象，且移植区域的细胞为 Snail2 +，顶端肌动蛋白定位缺失 。这表明后脑的前迁移神经嵴细胞可能足以驱动背侧组织在压力下变薄。
综上所述，本研究揭示了鸟类胚胎发育过程中，后脑和脊髓在神经管壁内流体静压作用下呈现不同形态变化的机制。神经嵴细胞的行为差异导致了后脑和脊髓背侧组织的材料特性不同，进而使得它们对压力的反应不同。这种机制不仅为理解脊椎动物头部的形成和进化提供了新的视角，也暗示了在其他上皮组织形态发生过程中，可能存在类似的机械预模式机制。未来的研究可以进一步深入探究神经嵴细胞行为差异的详细分子和细胞调控机制，以及影响大脑扩张的遗传和环境因素，这将有助于我们更全面地理解胚胎发育的奥秘。
