研究揭示3.2亿年动物大脑演化之谜

来源：中国科学报

中国科学报讯研究显示，鸟类、哺乳类甚至龟类的大脑在过去3.2亿年里，经历了一场精彩的大脑神经元演化历程，走出了截然不同但又殊途同归的智慧发展之路。5月13日，这项由华大生命科学研究院联合中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院脑科学与智能技术卓越中心等机构共同完成的研究发表于《发育细胞》。

3.2亿年前，当脊椎动物第一次离开水域来到陆地生活时，面对的是全新挑战——如何在陆地的复杂环境中导航、觅食、避险？这些问题迫使动物大脑加速进化。哺乳类发展出6层新皮层作为高级认知的结构基础，而鸟类虽然没有类似结构，却通过更密集的神经元和特殊的核团组织，拥有了与灵长类相似的工具使用和社会认知能力。

那么，基因组如何通过分子层面的影响，在迥异的解剖结构下演化出相似的复杂功能？

在该研究中，研究团队利用华大自主研发的超高通量测序平台DNBSEQ-T10、单细胞测序平台DNBelab C4和时空组学技术Stereo-seq，对中华软壳龟、斑胸草雀、鸽子的端脑和小脑进行测序分析，并与已公开的小鼠、猕猴全脑图谱数据进行整合，共构建了羊膜类5个代表物种共130万个细胞的跨物种单细胞图谱。该图谱首次通过多组学结合角度系统揭示了爬行类、鸟类与哺乳类大脑细胞类型的保守性与多样性演化规律。

研究发现，鸟类与哺乳类在端脑兴奋性神经元中呈现出显著的基因表达差异。鸟类的兴奋性神经元在全脑范围普遍表达SLC17A6基因；哺乳类新皮层神经元特异性表达它的同源基因SLC17A7，其他脑区则保留SLC17A6的表达；龟类大脑大部分区域则同时表达这两个基因。以上结果暗示SLC17A7可能在鸟类演化过程中发生功能丢失。

那么，这些大脑细胞类型的差异是如何产生的？研究团队创新性地将基因家族序列的“演化史”和单细胞类群的表达情况结合起来分析。他们发现，有20%至35%在不同物种间表现各异的神经元基因，可以追溯到羊膜动物祖先时期发生的一些基因“复制粘贴”事件——基因家族扩增与复制。

该研究通过跨物种单细胞与空间多组学整合分析，首次在时空维度解析了羊膜动物脑细胞类型的演化轨迹。团队优化开发的熵优化单细胞图谱比对模型，突破了远缘物种细胞类型映射的技术瓶颈，精准识别了爬行类、鸟类与哺乳类间同源和分化的细胞亚型。（记者刁雯蕙）

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https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.04.014