5億年前的脊椎動物大腦長什么樣，一直是演化生物學(xué)中最難回答的問題之一。原因很簡單：骨骼能夠留下化石，大腦卻很難保存下來。

大腦這種柔軟組織在動物死亡后會迅速分解，即便是保存條件極其特殊的化石，也極少能夠留下完整的大腦結(jié)構(gòu)信息。因此，人們雖然知道脊椎動物在遠古時期已經(jīng)出現(xiàn)，卻始終不知道最早的大腦究竟是什么模樣。

圖片來源：中科院網(wǎng)站

不過最近，中國科學(xué)家完成的一項研究，為這個問題提供了迄今最清晰的答案。而幫助他們破解謎題的，竟然是一種看起來有些“奇怪”的古老生物——七鰓鰻。

一條活了數(shù)億年的“活化石”

在脊椎動物演化史上，七鰓鰻有著特殊的地位。

它沒有上下開合的下巴，嘴巴像一個圓形吸盤，里面長滿角質(zhì)小齒，看起來甚至有些“外星生物”的味道。

在科學(xué)家眼中，七鰓鰻是一件珍貴的“活化石”。所謂活化石，并不是說它在分子或基因組層面幾億年沒變，而是指它的核心形態(tài)特征（如吸盤口器、無頜結(jié)構(gòu)）在化石記錄中表現(xiàn)出驚人的保守性，保留了許多遠古祖先的關(guān)鍵特征。

圖片來源：中國科學(xué)院昆明動物研究所

大約5億年前（寒武紀晚期至奧陶紀早期），脊椎動物演化史上發(fā)生了一次重要分家。其中一支逐漸演化出了能夠開合的上下頜，最終形成了今天魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類以及哺乳動物所屬的“有頜類”。另一支則保留了沒有下巴的原始結(jié)構(gòu)，另一支則保留了沒有下巴的原始結(jié)構(gòu)，與有頜類構(gòu)成姐妹群關(guān)系，七鰓鰻與盲鰻正是這一古老無頜譜系現(xiàn)存的兩大代表，它們共同組成了圓口綱（Cyclostomata）。

如果想了解早期的脊椎動物大腦是什么樣子，七鰓鰻無疑是最重要的研究對象之一。

給大腦拍一張“46萬個細胞的全景照”

過去很長時間里，研究大腦有一個難題。傳統(tǒng)解剖學(xué)能夠看清腦區(qū)的位置和形態(tài)，卻難以了解細胞內(nèi)部發(fā)生了什么；單細胞（核）測序技術(shù)能夠識別不同細胞的基因表達特征，卻會丟失這些細胞原本所在的位置。

這有點像研究一座城市。你既想知道有哪些類型的建筑，也想知道它們分別位于哪個街區(qū)。僅僅知道建筑類型，卻不知道城市布局，很難真正理解整座城市是如何運轉(zhuǎn)的。

這一次，研究團隊利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細胞核RNA測序技術(shù)，分別獲取了細胞類型信息和空間位置信息，再通過計算整合將兩者對應(yīng)起來。

七鰓鰻全腦3D重構(gòu)示意圖 圖源：中國科學(xué)院昆明動物研究所

他們連續(xù)獲取七鰓鰻腦組織切片的數(shù)據(jù)，再通過算法進行三維重建，最終獲得了超過46萬個具有精確空間坐標的細胞信息；通過與單細胞核測序數(shù)據(jù)的整合，解析出200多種細胞類型和狀態(tài)。這相當于給七鰓鰻的大腦拍攝了一套超高清“全景照片”。

借助這張前所未有的腦地圖，研究人員終于能夠把七鰓鰻與現(xiàn)代脊椎動物放在同一個框架下進行比較。而比較結(jié)果，比很多人預(yù)想的更加有趣。

原來，5億年前的大腦已經(jīng)不簡單了

長期以來，人們往往認為復(fù)雜大腦是漫長演化的產(chǎn)物。按照這種直覺，5億年前的脊椎動物祖先剛剛出現(xiàn)不久，大腦應(yīng)該相對簡單；那些復(fù)雜的腦區(qū)結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，則是在后來的演化過程中逐漸形成的。但研究發(fā)現(xiàn)，情況可能并非如此。

當研究團隊將七鰓鰻與小鼠的大腦進行比較時，發(fā)現(xiàn)兩者在不少關(guān)鍵區(qū)域竟然存在明顯的相似性。例如負責(zé)處理氣味信息的嗅球，都具有相近的組織特征；后腦區(qū)域的分節(jié)結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出高度一致性；一些核心神經(jīng)細胞類型甚至保留著相似的分子特征。

七鰓鰻腦的三維轉(zhuǎn)錄組圖譜與脊椎動物腦進化 圖源：中科院網(wǎng)站

這些發(fā)現(xiàn)傳遞出一個重要信息：脊椎動物共同祖先的大腦，可能已經(jīng)擁有相當清晰的區(qū)域劃分和豐富的細胞類型。

換句話說，現(xiàn)代脊椎動物大腦的許多基礎(chǔ)框架，或許早在5億年前就已經(jīng)搭建完成。后來的演化并不是從零開始建造一座新房子，而更像是在已有地基和主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上不斷擴建、裝修和升級。

這個結(jié)論也改變了人們對于大腦演化過程的一些傳統(tǒng)認識。復(fù)雜腦結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時間，可能比過去認為的更早。

神經(jīng)元也經(jīng)歷過“兼職時代”

這項研究中最有趣的發(fā)現(xiàn)之一，來自神經(jīng)元的演化過程。

我們今天的大腦中，神經(jīng)元通常分工明確。有些負責(zé)發(fā)送興奮信號，相當于踩油門；有些負責(zé)發(fā)送抑制信號，相當于踩剎車。兩類神經(jīng)元各司其職，共同維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

然而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在七鰓鰻和斑馬魚等非羊膜類脊椎動物的大腦中，存在大量同時表達兩類標志基因的神經(jīng)元。它們既帶有“油門”特征，也帶有“剎車”特征。研究團隊將其稱為AEN神經(jīng)元。

如果打個比方，它們就像創(chuàng)業(yè)公司里的早期員工。公司剛成立時，一個人可能既負責(zé)產(chǎn)品設(shè)計，又負責(zé)市場推廣，還兼顧客戶服務(wù)。隨著企業(yè)不斷發(fā)展，職責(zé)逐漸細化，才會出現(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)理、市場經(jīng)理和客服等專門崗位。

成體雷氏七鰓鰻（Lethenteron reissneri） 圖源：中科院網(wǎng)站

神經(jīng)元的演化似乎也經(jīng)歷了類似過程。早期神經(jīng)元往往身兼數(shù)職，而隨著脊椎動物不斷演化，尤其是在羊膜動物出現(xiàn)之后，神經(jīng)元開始向更加專業(yè)化的方向發(fā)展，最終形成羊膜動物（包括哺乳類）大腦中高度精細的功能分工體系。

從某種意義上說，大腦復(fù)雜性的提升，不只是細胞數(shù)量增加，更重要的是細胞之間的“職業(yè)分化”。

七鰓鰻到底有沒有小腦？

除了神經(jīng)元，研究還回答了另一個爭論多年的問題。那就是：七鰓鰻有沒有真正意義上小腦？

對于人類來說，小腦非常重要。雖然它只占腦體積的一小部分，卻參與運動協(xié)調(diào)、姿勢控制以及部分認知活動。

長期以來，科學(xué)家一直不確定無頜類動物是否擁有真正意義上的小腦。傳統(tǒng)觀點認為，小腦是有頜類脊椎動物才具備的“高級”結(jié)構(gòu)。因為從外觀上看，七鰓鰻并沒有現(xiàn)代魚類或哺乳動物那樣層次分明的小腦結(jié)構(gòu)。

但這次研究發(fā)現(xiàn)，在七鰓鰻腦部特定區(qū)域中，存在與現(xiàn)代魚類小腦神經(jīng)元高度相似的細胞群。這說明七鰓鰻并非完全沒有小腦。更準確地說，它擁有一種較為原始的小腦雛形。雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻可能代表著脊椎動物祖先小腦的早期狀態(tài)。這意味著，小腦的起源時間也許比過去認為的更早。

從一條魚，看見人類大腦的來處

今天的人類擁有已知動物界最復(fù)雜的大腦。它能夠思考、創(chuàng)造、想象未來，也能探索宇宙和生命本身。但再復(fù)雜的大腦，也不是憑空出現(xiàn)的。它同樣經(jīng)歷了漫長的演化歷程。

這項研究的重要意義，不僅在于繪制了一張七鰓鰻的大腦地圖，更在于幫助科學(xué)家向前追溯，尋找脊椎動物大腦最初的模樣。

圖源：中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所

從某種意義上說，當科學(xué)家觀察七鰓鰻的大腦時，他們看到的不只是一個古老物種。他們看到的，或許也是我們自己的過去。

而這條沒有下巴的“活化石”，正默默保存著關(guān)于人類大腦起源的一段遠古記憶。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea2535

2.https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2026/6/566888.shtm

3.https://www.cas.cn/syky/202606/t20260618_5112847.shtml

作者：蝌蚪君

審核：劉穎 李培元 張超 楊柳

審核專家：張云峰 中國科學(xué)院動物研究所 研究員