近日，电子游戏app下载安装宿兵团队联合华大生命科学研究院刘石平团队、辽宁师范大学逄越团队，在学术期刊Science发表封面论文Lamprey 3D single-cell transcriptomics reveals ancestral and specialized features of the vertebrate brain。研究团队利用 Stereo-seq 空间转录组和单细胞核RNA测序（snRNA-seq）等前沿技术，构建了首个雷氏七鳃鳗（Lethenteron reissneri）全脑三维空间单细胞分子图谱，获得46.6万个具有精确空间定位信息的单细胞转录组数据，系统揭示了脊椎动物脑的祖先特征及其后续多样化演化模式。该成果为理解脊椎动物复杂脑的起源提供了重要演化框架。

脊椎动物的起源与演化是生命科学领域的核心科学问题之一。约5亿年前，脊椎动物共同祖先经历了一系列关键表型创新，包括脊椎、闭合循环系统、适应性免疫系统以及复杂脑（complex brain）的出现。其中，复杂脑的形成被认为是脊椎动物后续演化和适应辐射的重要基础。然而，长期以来，脊椎动物复杂脑祖先蓝图究竟由哪些脑区和细胞类型构成，以及不同脊椎动物谱系如何在此基础上演化出多样化脑结构，始终缺乏系统性的研究。

七鳃鳗作为现存无颌类脊椎动物的代表，约4.5亿年前与包括人类在内的有颌类脊椎动物分化，位于脊椎动物演化树的基部分支。由于其核心形态特征在漫长演化过程中保持相对稳定，因此被认为是研究脊椎动物祖先状态的“活化石”，也是探索脊椎动物脑起源的重要模式动物。

研究团队通过构建七鳃鳗全脑三维单细胞图谱，首次在细胞和空间层面系统解析了脊椎动物脑祖先蓝图。跨物种比较分析显示，七鳃鳗与小鼠在多个脑区具有高度相似的基因表达模式，在嗅球神经发生轨迹、延脑分节结构以及核心细胞类型组成等方面表现出显著保守性。这表明，脊椎动物共同祖先可能已经具备高度区域化且分子组成复杂的脑结构。

与此同时，研究还揭示了不同脊椎动物谱系在长期演化过程中形成的独特脑分化轨迹。七鳃鳗在端脑、中脑和延脑等区域存在明显的谱系特异细胞类型及空间组织模式。例如，七鳃鳗特有的中脑神经元（MidNeuron）和延脑中的巨大神经元穆勒细胞（Müller cell）。在哺乳动物中则演化形成了大脑皮层复杂分层结构。

进一步整合斑马鱼、龟、蜥蜴、鸟类、小鼠和猕猴等代表性脊椎动物的组学数据后，研究团队提出了神经元演化的两种模式：“兼职”神经元与“专职”神经元模式。研究发现，七鳃鳗脑中广泛存在一类同时表达兴奋性神经元和抑制性神经元标记基因的细胞，并将其命名为“非羊膜动物富集神经元（AEN）”。这类神经元可形象地理解为兼具双重分子特征的“兼职”神经元，可能兼具兴奋和抑制功能，在七鳃鳗和斑马鱼等早期脊椎动物中占据较高比例。

相比之下，从有颌类脊椎动物开始，功能分工明确的兴奋性神经元和抑制性神经元逐渐成为脑内主导类型；在爬行动物、鸟类和哺乳动物等羊膜动物中，AEN显著减少，并被具有特异分子特征和功能专门化的神经元亚群所取代。研究进一步发现，这一神经元功能专门化过程与发生于有颌类共同祖先阶段的第二轮全基因组复制（2R）事件高度吻合，提示全基因组复制可能是推动脊椎动物脑细胞类型分化和功能复杂化的重要遗传机制。

此外，针对长期存在争议的小脑起源问题，研究人员在七鳃鳗“小脑样区域”中发现了一类与斑马鱼小脑中间神经元高度相似的细胞群。该发现表明，脊椎动物共同祖先可能已经拥有一个以类小脑中间神经元为主、呈弥散分布的原始小脑雏形，为后续有颌类动物层状、精细化小脑结构的演化奠定了基础。

该研究揭示了脊椎动物脑演化过程中“深度保守”与“广泛创新”并存的双重演化规律：一方面，祖先脑结构和核心细胞类型在不同脊椎动物中长期保持保守；另一方面，各谱系又通过细胞类型创新、空间组织重塑和功能专门化不断推动脑结构复杂化。研究不仅重建了脊椎动物复杂脑的祖先蓝图，也为理解脑起源与多样化演化提供了新的细胞学和分子演化框架。

昆明动物所博士研究生吴海旭、杭州华大研究院副院长陈铎元、辽师大学副教授李军、华大研究院博士研究生周涛及副研究员庄镇堃为共同第一作者；昆明动物所研究员宿兵、华大研究院研究员刘石平、辽师大教授逄越为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、云南省、浙江省、广东省和杭州市等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aea2535

Science杂志封面

成体雷氏七鳃鳗（Lethenteron reissneri）

研究的整体设计与主要发现