重庆
复杂的大脑，是脊椎动物区别于无脊椎动物的关键标志，也是各种行为和认知能力的基础。但是，脊椎动物最早的大脑究竟长什么样，长期以来缺少直接证据。
近日，中国科学院昆明动物研究所等研究团队，首次为七鳃鳗（lamprey）的整个大脑绘制出一张“三维单细胞地图”，并标注了全脑里每个细胞的位置和“身份”。借助这张图谱，研究人员既重建了脊椎动物大脑的部分祖先特征，又看清了神经元和脑结构在5亿年里的关键创新。
实验室中的成体雷氏七鳃鳗（Lethenteron reissneri）
大脑最初的“模样”
要回答脊椎动物最早的大脑究竟长什么样这个问题，科学家把目光投向了一种古老的鱼——七鳃鳗。
七鳃鳗是现存少数没有上下颌的脊椎动物之一，约4.5亿年前与包括人类在内的有颌类祖先分道扬镳。更难得的是，它的核心形态在化石记录里保持了约3.6亿年几乎不变，堪称“活化石”，是重建脊椎动物大脑“最初模样”的关键材料。
研究人员对比分析了七鳃鳗和小鼠的大脑。结果发现，相隔数亿年的两种动物的多个脑区的基因表达高度相似。嗅球里神经元的分层、延脑的分节结构，到各脑区的核心细胞类型均十分接近。这说明，在脊椎动物共同祖先身上，大脑或许已经分区明确、分子组成相当复杂。
当然，各条演化路线也各有“独门绝活”。七鳃鳗脑中有一些小鼠大脑里见不到的细胞，例如特有的中脑神经元和延脑中个头巨大的穆勒细胞。哺乳动物的大脑皮层则演化出精细的分层结构。这些差异正是不同谱系各自塑造大脑的痕迹。
“兼职”与“专职”
大脑里的神经元大致分为两类——让信号“加速”的兴奋性神经元、给信号“踩刹车”的抑制性神经元。通常，一个细胞只干一件事。
为看清神经元如何演化，科研团队汇集斑马鱼、龟、蜥蜴、鸟类、小鼠和猕猴等动物的数据并横向比较，提出了“兼职”与“专职”两种模式。
研究人员在七鳃鳗脑中发现了一类“身兼两职”的细胞，它同时打开了兴奋性标志基因和抑制性标志基因。基于分布特点，它被命名为“非羊膜动物富集神经元“（AEN）。这种“兼职”神经元在七鳃鳗脑中占据主导地位，在斑马鱼脑中比例也同样较高。
七鳃鳗全脑3D重构示意图
与之对应，从斑马鱼这样的有颌类开始，“专职”神经元陆续登场，并逐渐成为大脑主力。而在羊膜动物（爬行类、鸟类和哺乳类）中， “兼职”AEN明显减少，被基因表达更专一、功能更专门的神经元所取代。
更值得关注的是，“专职”神经元大量出现的时间，恰好与有颌类祖先经历的“第二轮全基因组复制”对得上。基因组复制相当于把整套“基因零件库”复制了一份，研究人员推测，这个过程为有颌类神经元的种类和功能多样化提供了重要遗传基础。
小脑何时出现？
小脑负责协调身体的精细动作，但它何时出现，学界长期争论不休。
研究人员在七鳃鳗一个“类似小脑的区域”里找到了一群细胞，它们的分子特征与斑马鱼小脑中的中间神经元非常接近。这意味着，七鳃鳗脑中可能存在一个“雏形小脑”——没有整齐的分层，细胞松散地分布着，却以类小脑中间神经元为主。它就像有颌类那套层次分明的小脑的“前身”，为小脑起源这一问题提供了新的分子证据。
该研究不仅重建了脊椎动物脑演化的重要祖先特征，也为理解复杂脑结构如何产生和演化提供了新视角。随着空间组学技术的发展，这一成果有望成为研究脑演化的重要参考资源。
这项工作也为理解人类大脑的复杂性提供了一个反向参照。人类脑中众多精密分工、各司其职的神经环路，其中很大一部分可能在5亿年前的脊椎动物共同祖先中就已经存在。正是借助七鳃鳗这样的关键类群，科学家才得以把这条演化之路的起点，看得越来越清晰。
来源：中国科学院昆明动物研究所
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