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大腦是電活動的熱點。科學家們早就知道，腦細胞透過電訊號進行交流，這些電訊號是由帶電原子和分子（稱為離子）在細胞膜上穿梭時產生的。但一項新的研究表明，在胚胎或胎兒大腦形成的最初幾天和幾周內，改變這些細胞的電特性可能會顯著改變隨後大腦的發育方式。
塔夫茨大學和明尼蘇達大學的研究人員研究了靜息細胞膜兩側的電荷差異（即電勢）如何幫助構建大腦。在之前的研究中，塔夫茨大學發育生物學家邁克爾·萊文發現，胚胎髮育最早階段的電勢模式可以指導動物身體的生長方式，並且操縱這些電勢可以使生物長出額外的肢體、尾巴或功能正常的眼睛。現在，萊文的研究小組已經研究了這些電勢如何塑造大腦。
研究人員使用青蛙胚胎，首先使用染料觀察先於大腦發育的電勢模式。他們注意到，在正常大腦發育之前，神經管（最終會發育成大腦和脊髓的結構）的細胞內膜和外膜之間的離子電荷存在極端差異。換句話說，這些細胞是極化的。
接下來，萊文和他的同事將遺傳物質注入一些細胞，以刺激細胞膜中額外離子通道的發育。這些通道允許帶電原子和分子進出細胞；額外的通道使離子更容易穿過，從而降低了這些細胞的極化程度。反過來，這些電變化導致大腦發育異常，某些大腦區域生長過小或完全未能發育。這些觀察結果使該團隊得出結論，他們破壞的電勢模式可能是健康大腦發育的關鍵組成部分，是大腦的生物電藍圖。
正如他們在3月10日發表在《神經科學雜誌》上的論文中詳細描述的那樣，更深入的研究表明，即使是遠離神經管的細胞中的電勢模式也對正常生長至關重要。研究人員還確定了參與這種效應的分子機制，特別是來自鈣離子的訊號的作用。
加州大學聖地亞哥分校的神經生物學家尼古拉斯·斯皮策（他沒有參與這項研究，但對大腦的電訊號進行了廣泛研究）認為這項研究令人信服，並指出這種機制層面的理解有助於澄清關於電在塑造大腦中所起作用的持續存在的問題。他懷疑未來的工作將揭示這種訊號傳導的更大作用。
正如他們在之前對肢體和眼睛的研究中一樣，萊文和他的同事在身體的其他部位測試了他們的生物電藍圖的強度，以觀察它是否會在遠離大腦的位置刺激神經元生長。雖然他們無法在身體的其他部位長出第二個大腦，但他們成功地培育出了完整的神經組織。“我認為這真的很了不起——與額外眼睛的生長同等重要，”加州大學戴維斯分校的生物學家趙敏（也與該研究無關）說，他研究了電場在傷口癒合中的應用。
此外，萊文和他的同事還研究了一個攜帶遺傳缺陷的青蛙種群，這種缺陷會導致大腦異常生長。他們證實，這些青蛙在早期發育過程中表現出異常的電模式。透過使用靶向特定離子通道的藥物治療這些動物，研究人員可以恢復正常的模式，以確保健康的大腦生長，從而將大腦從其遺傳命運中拯救出來。
總而言之，這些發現可能會啟發新的干預措施來治癒大腦，無論是再生因退行性疾病而喪失的腦細胞，還是補救因環境毒素引起的出生缺陷。與針對功能障礙的遺傳來源不同，萊文認為電操縱可以作為大腦發育的更高級別和更有效的控制旋鈕。
這項工作也加深了我們對基因、化學和電在大腦早期階段相互作用的理解。“這些是大腦發育中人們從未談論過的問題，”萊文說。“這項工作可以為新方法提供路線圖。”