500多年前,达·芬奇曾画下了心脏内部的模样,但之后人们一直都没有弄懂心脏里的一些细微结构。如今,《自然》杂志刊发的新研究终于给出了一些答案,看似无用的结构,比如心肌小梁也对心脏很关键。过了数个世纪,科学家真的弄懂我们的心了吗?

在人类胚胎漫长的发育过程中,心脏是第一个开始发育的器官,大约在受精完成4周后,心脏就能够开始自主地跳动,而心脏的第一次搏动也意味着生命开始顽强地朝世界发出“我来了”的信号。

人类对心脏曾有诸多猜想

历史上,人类从未停止尝试了解这个重要器官的秘密,古希腊医学家盖伦最早在公元2世纪将心脏描述成“不易受伤且很硬的肉块,并且有着其他器官没有的纤维含量”。在缺乏解剖学支持的情况下,盖伦认为人体神经就是起源于心脏。而公元11世纪,医学家阿维森纳在结合了亚里士多德的一些思想后认为,心脏能帮助呼吸,并且给全身供热。

这些认识随着中世纪解剖学的复兴而被颠覆,大家在分析了心脏结构后,基本能分清楚心脏有左右心房和心室结构。而达·芬奇大约也在15世纪末将人类心脏的结构描绘了出来。根据记载,人类终于能够看到心脏的大体结构,并且在一些精细画作上,达·芬奇还展示了心脏内部的结构,描绘了其中错综复杂的肌肉纤维——心肌小梁。

当时的医学家认为心肌小梁只是心脏的附属品,就是给流经的血液升温的地方。但是,中世纪的医学家其实仍然不够懂我们的心,这些猜想现在看来也并不准确。

在现代生物学技术的帮助下,已经有研究发现,这些位于心室内表面的心肌小梁在心脏发育早期就出现了,科学家曾推测,心脏发育早期需氧量很大,心肌小梁能够负责给发育中的心脏供氧。而待心脏发育完成后心肌小梁就成了残留物,它在成人心脏中有什么用其实并不清楚。

根据一些细胞谱系追踪结果,可以确认心肌小梁的分子和发育特点与大心肌是有差别的,心肌小梁能够帮助运送氧气和营养物质。不过,这大部分都是猜想。

科学家想借助科技看透心脏

现在,我们终于有机会看透我们心脏最神秘的结构了。借助于包含50万人类样本的英国生物样本库,科学家已经能够更具体地了解心脏的结构和不同区域的基因差异。这个样本库囊括了数量众多的心脏样本数据,而欧洲分子生物学实验室的研究人员,则使用了其中2.5万张心脏磁共振图像,并搭配上人工智能对这些图片进行了分析。

根据近日发表在《自然》的论文,研究人员发现,在成人的心脏中,心肌小梁同样具有作用,它使得心室内表面变得不再平滑,这能够保证我们每一次心脏搏动时输出的血液受到的阻力减少,更有效地通过心室。这一点会类似于高尔夫球上刻意点缀的凹洞,看起来会阻碍球的运行,但实际上这些凹洞能够减少空气的阻力让球飞得更远。

既然难得窥视到心肌小梁,研究人员决定将操控它生长的基因也找出来。研究人员根据不同样本心肌小梁的分形进行了一次全基因组相关性分析,并最终找到了16个与心肌小梁发育显著性相关的基因位点。其中最受关注的是在MTSS1基因出现的变异位点,因为这个位点与心脏结构和功能表型都具备相关性。

在小鼠胚胎中,研究人员用基因剪刀将MTSS1基因敲除后,小鼠胚胎会出现大量死亡,而能够生长的小鼠,其心脏发育也会受损,与对照组相比,这些缺陷小鼠的心脏容积要更小,结构发育也更慢。在显微镜下可以明显看到,MTSS1表达受损的小鼠心肌小梁的生成受到了阻碍。

在另外筛选出的位点中,与GOSR2基因相关位点也与心脏发育明显相关,而GOSR2突变后,会造成细胞骨架碎片化,最终导致树突棘的延伸受损。这两种基因或许就在形成心脏弯曲结构中起到了关键作用。

而这次研究的发现,或许也找到了大脑和心脏的联系。因为MTSS1也会在小脑普金吉氏细胞高度表达,并让肌动蛋白往分支发育、生长,而不是一直走直线延伸。而这种分支发育方式也增大了组织的表面积,无论是神经需要的信息处理功能,还是心脏需要的血液动力功能,都离不开这种结构。因此这两种和心肌小梁发育高度相关的基因,或许也决定着大脑的神经发育功能。

达·芬奇画下心肌小梁500年后,科学家终于弄懂了心脏这块不为人熟知的区域。这些结构和基因的数据,终于让科学家看懂了心肌小梁,心肌小梁的复杂程度决定了心脏搏动时的血液输出量、搏动功能和心脏输出指数,往往心肌小梁越多和越复杂,上述功能越强。(杨心舟 据《环球科学》)

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