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大脑是电活动的热点。科学家们早就知道，脑细胞通过电信号进行交流，这些电信号是由带电原子和分子（称为离子）在细胞膜上穿梭时产生的。但一项新的研究表明，在胚胎或胎儿大脑形成的最初几天和几周内，改变这些细胞的电特性可能会显著改变随后大脑的发育方式。
塔夫茨大学和明尼苏达大学的研究人员研究了静息细胞膜两侧的电荷差异（即电势）如何帮助构建大脑。在之前的研究中，塔夫茨大学发育生物学家迈克尔·莱文发现，胚胎发育最早阶段的电势模式可以指导动物身体的生长方式，并且操纵这些电势可以使生物长出额外的肢体、尾巴或功能正常的眼睛。现在，莱文的研究小组已经研究了这些电势如何塑造大脑。
研究人员使用青蛙胚胎，首先使用染料观察先于大脑发育的电势模式。他们注意到，在正常大脑发育之前，神经管（最终会发育成大脑和脊髓的结构）的细胞内膜和外膜之间的离子电荷存在极端差异。换句话说，这些细胞是极化的。
接下来，莱文和他的同事将遗传物质注入一些细胞，以刺激细胞膜中额外离子通道的发育。这些通道允许带电原子和分子进出细胞；额外的通道使离子更容易穿过，从而降低了这些细胞的极化程度。反过来，这些电变化导致大脑发育异常，某些大脑区域生长过小或完全未能发育。这些观察结果使该团队得出结论，他们破坏的电势模式可能是健康大脑发育的关键组成部分，是大脑的生物电蓝图。
正如他们在3月10日发表在《神经科学杂志》上的论文中详细描述的那样，更深入的研究表明，即使是远离神经管的细胞中的电势模式也对正常生长至关重要。研究人员还确定了参与这种效应的分子机制，特别是来自钙离子的信号的作用。
加州大学圣地亚哥分校的神经生物学家尼古拉斯·斯皮策（他没有参与这项研究，但对大脑的电信号进行了广泛研究）认为这项研究令人信服，并指出这种机制层面的理解有助于澄清关于电在塑造大脑中所起作用的持续存在的问题。他怀疑未来的工作将揭示这种信号传导的更大作用。
正如他们在之前对肢体和眼睛的研究中一样，莱文和他的同事在身体的其他部位测试了他们的生物电蓝图的强度，以观察它是否会在远离大脑的位置刺激神经元生长。虽然他们无法在身体的其他部位长出第二个大脑，但他们成功地培育出了完整的神经组织。“我认为这真的很了不起——与额外眼睛的生长同等重要，”加州大学戴维斯分校的生物学家赵敏（也与该研究无关）说，他研究了电场在伤口愈合中的应用。
此外，莱文和他的同事还研究了一个携带遗传缺陷的青蛙种群，这种缺陷会导致大脑异常生长。他们证实，这些青蛙在早期发育过程中表现出异常的电模式。通过使用靶向特定离子通道的药物治疗这些动物，研究人员可以恢复正常的模式，以确保健康的大脑生长，从而将大脑从其遗传命运中拯救出来。
总而言之，这些发现可能会启发新的干预措施来治愈大脑，无论是再生因退行性疾病而丧失的脑细胞，还是补救因环境毒素引起的出生缺陷。与针对功能障碍的遗传来源不同，莱文认为电操纵可以作为大脑发育的更高级别和更有效的控制旋钮。
这项工作也加深了我们对基因、化学和电在大脑早期阶段相互作用的理解。“这些是大脑发育中人们从未谈论过的问题，”莱文说。“这项工作可以为新方法提供路线图。”