重慶
復雜的大腦，是脊椎動物區別于無脊椎動物的關鍵標志，也是各種行為和認知能力的基礎。但是，脊椎動物最早的大腦究竟長什么樣，長期以來缺少直接證據。
近日，中國科學院昆明動物研究所等研究團隊，首次為七鰓鰻（lamprey）的整個大腦繪制出一張“三維單細胞地圖”，并標注了全腦里每個細胞的位置和“身份”。借助這張圖譜，研究人員既重建了脊椎動物大腦的部分祖先特征，又看清了神經元和腦結構在5億年里的關鍵創新。
實驗室中的成體雷氏七鰓鰻（Lethenteron reissneri）
大腦最初的“模樣”
要回答脊椎動物最早的大腦究竟長什么樣這個問題，科學家把目光投向了一種古老的魚——七鰓鰻。
七鰓鰻是現存少數沒有上下頜的脊椎動物之一，約4.5億年前與包括人類在內的有頜類祖先分道揚鑣。更難得的是，它的核心形態在化石記錄里保持了約3.6億年幾乎不變，堪稱“活化石”，是重建脊椎動物大腦“最初模樣”的關鍵材料。
研究人員對比分析了七鰓鰻和小鼠的大腦。結果發現，相隔數億年的兩種動物的多個腦區的基因表達高度相似。嗅球里神經元的分層、延腦的分節結構，到各腦區的核心細胞類型均十分接近。這說明，在脊椎動物共同祖先身上，大腦或許已經分區明確、分子組成相當復雜。
當然，各條演化路線也各有“獨門絕活”。七鰓鰻腦中有一些小鼠大腦里見不到的細胞，例如特有的中腦神經元和延腦中個頭巨大的穆勒細胞。哺乳動物的大腦皮層則演化出精細的分層結構。這些差異正是不同譜系各自塑造大腦的痕跡。
“兼職”與“專職”
大腦里的神經元大致分為兩類——讓信號“加速”的興奮性神經元、給信號“踩剎車”的抑制性神經元。通常，一個細胞只干一件事。
為看清神經元如何演化，科研團隊匯集斑馬魚、龜、蜥蜴、鳥類、小鼠和獼猴等動物的數據并橫向比較，提出了“兼職”與“專職”兩種模式。
研究人員在七鰓鰻腦中發現了一類“身兼兩職”的細胞，它同時打開了興奮性標志基因和抑制性標志基因。基于分布特點，它被命名為“非羊膜動物富集神經元“（AEN）。這種“兼職”神經元在七鰓鰻腦中占據主導地位，在斑馬魚腦中比例也同樣較高。
七鰓鰻全腦3D重構示意圖
與之對應，從斑馬魚這樣的有頜類開始，“專職”神經元陸續登場，并逐漸成為大腦主力。而在羊膜動物（爬行類、鳥類和哺乳類）中， “兼職”AEN明顯減少，被基因表達更專一、功能更專門的神經元所取代。
更值得關注的是，“專職”神經元大量出現的時間，恰好與有頜類祖先經歷的“第二輪全基因組復制”對得上。基因組復制相當于把整套“基因零件庫”復制了一份，研究人員推測，這個過程為有頜類神經元的種類和功能多樣化提供了重要遺傳基礎。
小腦何時出現？
小腦負責協調身體的精細動作，但它何時出現，學界長期爭論不休。
研究人員在七鰓鰻一個“類似小腦的區域”里找到了一群細胞，它們的分子特征與斑馬魚小腦中的中間神經元非常接近。這意味著，七鰓鰻腦中可能存在一個“雛形小腦”——沒有整齊的分層，細胞松散地分布著，卻以類小腦中間神經元為主。它就像有頜類那套層次分明的小腦的“前身”，為小腦起源這一問題提供了新的分子證據。
該研究不僅重建了脊椎動物腦演化的重要祖先特征，也為理解復雜腦結構如何產生和演化提供了新視角。隨著空間組學技術的發展，這一成果有望成為研究腦演化的重要參考資源。
這項工作也為理解人類大腦的復雜性提供了一個反向參照。人類腦中眾多精密分工、各司其職的神經環路，其中很大一部分可能在5億年前的脊椎動物共同祖先中就已經存在。正是借助七鰓鰻這樣的關鍵類群，科學家才得以把這條演化之路的起點，看得越來越清晰。
來源：中國科學院昆明動物研究所
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