成形素
维甲酸、音速刺猬和BMP等分子梯度以扩散梯度的形式用于构建组织，被称为成形素。在伦敦大学学院工作的发育生物学家刘易斯·沃尔伯特（Lewis Wolpert）展示了如何使用图灵（第1章）所设想的单一成形梯度来构建发育中的动物。
沃尔伯特考虑了胚胎在某一区域产生成形素的情况。此为其“源”。接下来，活跃的成形素通过组织扩散，但一种能中和成形素的因子开始从胚胎的另一区域被释放出来。此为其“汇”。这种情况导致源附近的成形素水平较高，而汇附近的成形素水平较低。在源汇之间就是成形素的梯度。沃尔伯特使用这一概念来解释梯度如何构建人体器官系统的标准比例、大小、形状、方向和顺序。他选择的比喻是三色旗——蓝、白、红三色的法国国旗。成形素的源就是左侧的蓝色区域，而汇就是右侧的红色区域。当从左到右穿过旗帜时，成形素的浓度就会降低。现在想象一下，旗帜上布满了能够感知成形素浓度的细胞。当感知到成形素浓度高于特定阈值时，它们就会激活“蓝色”基因；低于这个阈值但高于另一个较低阈值时，它们就会激活“白色”基因；而“红色”基因则在默认状态下激活，也就是成形素水平低于激活“蓝色”或“白色”基因的阈值。只要拥有这两个有效的源汇侧边区域和中间均匀的梯度，细胞的旗帜就会保持其蓝白红的比例，无论其是大是小。
随着胚胎的生长，神经管变得更大更长，新的成形素源汇开始出现，以此构建神经系统。例如，音速刺猬首先由位于神经管腹中线下方的脊索产生。因此，神经管这一区域接触最高水平的音速刺猬。同样，神经管的最背侧部分接触最高水平的BMP（由上覆表皮产生）。由于这些接触，神经管自身的最背侧部分开始表达BMP，而最腹侧部分开始表达音速刺猬。随着胚胎的发育，这些成形素的原始源（脊索和表皮）距离神经管越来越远，因此新的本地信号中心变得更加关键。
中脑和后脑的交界处是神经管发育过程中另一个关键的局部信号中心。这一交界处位于神经管最初的收缩处之一，使成形素对邻近大脑区域的形成具有重要的组织影响。如果将这一边缘区域的一小部分从一只鸡胚胎移植到另一只鸡胚胎的前脑区域，移植处的宿主细胞就会形成额外的小脑，而另一侧的宿主细胞就会形成额外的中脑。换句话说，这一小块神经组织能够通过释放一种或多种成形素来规划周围的大脑区域。中脑/后脑交界区的细胞释放的关键成形素之一是一种被称为Wnt（发音为Wint）的小型分泌蛋白。Wnt最初是在研究某些病毒（“肿瘤病毒”）的致癌原因时发现的。1983年，罗尔·努塞（Roel Nusse）和哈罗德·瓦姆斯（Harold Varmus）正在研究一种小鼠乳腺肿瘤病毒。他们发现，当病毒感染细胞时，它会复制自己的DNA，而这种复制有时会“跳入”宿主细胞自身的DNA中。努塞和瓦姆斯搜索了DNA中发生这种整合并导致肿瘤的区域，并将其发现的首个整合位点命名为“int-1”。
他们推测，病毒DNA在int-1位点的整合增强了附近致癌基因的表达。他们的结论是正确的。int-1附近的基因被证明是一种分泌蛋白的同源物，该蛋白已被确认为导致果蝇产生无翅突变体的原因。果蝇中的这一基因被称为（你猜对啦）无翅基因，因此这种int-1基因被命名为Wnt1。人类大约有20种不同的Wnt基因。当去除小鼠体内的Wnt1基因时，它们当然不会失去翅膀，但会失去大部分的中脑和小脑。在中脑/后脑交界处释放的Wnt被反Wnt分子所抵制，这些反Wnt分子以其无法正常工作时可能导致的缺陷命名，比如希腊神话中禁止活人进入冥界大门的三头狗“Cerberus”，或是意为“头脑迟钝的”或“固执的”的德语单词“Dickkopf”。在中脑/后脑交界处产生和释放Wnt，并在神经管的前端产生和释放抗Wnt分子，为这种强大的成形素创造了源和汇，从而创造了局部的成形梯度，有助于构建大脑的前部区域。
所有这些头尾、背腹以及新的局部成形素源汇，可以将神经管划分为具有特定区域特征的神经干细胞组。果蝇和小鼠之间的显著相似之处在于，其头尾和背腹成形素在不同阈值中调节某些转录因子的编码方式，表明这是大脑构建模式的古老进化特性。也许，昆虫和脊椎动物也从使用类似发育机制的共同祖先继承了这一基本蓝图。
为了深入验证这一想法，海德堡欧洲分子生物学实验室的德特尔夫·阿伦特（Detlef Arendt）一直在研究一种名为沙蚕的海洋蠕虫的神经系统。这些多毛纲蠕虫是一种节肢动物，每一节都有一对刚毛附肢。化石记录表明，这类蠕虫的起源大约在5.15亿年前的寒武纪初期附近，来自进化树在脊椎动物起源之前的一个分支。沙蚕保留了与这些早期化石的形态相似之处，这表明这些现代后裔保留了其远古祖先的许多特性。沙蚕的神经系统是一条分段的神经线，贯穿整个身体，头部有大脑和感觉器官（如眼睛）。阿伦特和他的同事们发现，沙蚕胚胎具有许多与纽斯林·沃尔哈德和威斯乔斯在果蝇中首次发现的构建基因相对应的基因，这些基因同样用于构建神经系统。
一个发人深省的想法是，构建神经系统的古老程序引领着大脑不同区域的发育，并在蝇类和人类等多种动物大脑中相对位置保留保持不变的功能。
在本章和其他章节中讨论的许多发育通路都是非常古老的，并在不同动物中反复用于类似的目的。但值得一提的是，就像同源基因一样，随着大脑的进化，许多用于构建大脑模式的成形素也被用于其他功能。例如，我们曾在第一章中看到，在神经诱导的过程中，BMP会使外胚层的细胞变成表皮而不是神经；但在本章中，我们发现BMP的用途被迅速改变，用以构建背侧神经管，而不会使其成为表皮。后来，它还会被用来帮助细分大脑的其他部分。Wnt用于将大脑划分为不同的区域，但也用于驱动组织的生长。事实上，正因如此，它最初被发现时是一种癌症基因。人们发现，构建不同的有机体就像在钢琴上演奏拉赫玛尼诺夫、贝多芬钢琴曲或爵士乐，以不同的组合方式使用相同的琴键。构建新的结构并不需要新的基因。
