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脑究竟长什么样子，里面的表达什么基因，有什么样的细胞，长期以来缺乏直接证据。为了回答这个问题，科学家把目光投向了一种古老的脊椎动物-七鳃鳗(lamprey)。它是现存少数几类没有上下颌的脊椎动物代表，大约在4.5亿年前与包括人类在内的有颌类脊椎动物的祖先分道扬镳。更难得的是，它的核心形态特征在化石记录中保持了约3.6亿年几乎不变，堪称是“活化石”物种，因此也被认为是重建脊椎动物脑祖先状态的关键类群。

《科学》封面论文

    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和辽宁师范大学研究团队，首次构建了七鳃鳗全脑三维空间单细胞图谱，相当于绘制了一张详细的空间“地图”。借助这张“地图”，研究人员重建了脊椎动物脑的部分祖先特征，并揭示了神经元和脑结构在5亿年演化过程中的重要创新。

实验室中的成体雷氏七鳃鳗(Lethenteronreissneri)    

    研究人员把七鳃鳗与小鼠的脑图谱-起比较，结果发现即使相隔数亿年的两种动物，多个脑区的功能、基因表达都高度相似:在嗅球神经发生轨迹、延脑分节区域以及不同脑区核心细胞类型等方面也具有显著保守性。这说明，早在脊椎动物共同祖先身上，大脑可能已具备分区明确、分子表达谱复杂的脑结构。与此同时，研:究还发现七鳃鳗在端脑、中脑和延脑等区域存在明显的谱系特异细胞类型及空间分布模式。例如，七鳃鳗特有的中脑神经元(MidNeuron)和延脑中体积巨大的穆勒细胞(Muller cell)，以及在哺乳动物中出现的大脑皮层精细的分层结构，均反映出脊椎动物不同:演化谱系独特的脑分化轨迹。

    为了更进一步研究神经元是如何在不同脊椎动物中演化的，研究汇集了斑马鱼、龟、蜥蜴、斑马雀、鸽子、小鼠和猕猴等代表性脊椎动物的组学数据，通过系统的跨物种比较分析，揭:示了脊椎动物神经元演化中具有"兼职"与"专职"两种不同的演化模式。大:脑里的神经元大致分两类:让信号“加:速”的兴奋性神经元，和给信号“踩刹车”的抑制性神经元，通常一类细胞只做一件事。但是研究人员在七鳃鳗脑中发现一类“身兼数职”的神经元:它同时表达兴奋性标记基因(SLC17A6/7/8)和抑制性标记基因(GAD1/2)。基于表达特征与分布特点，这类神经元被命名为“非羊膜动物富集神经元(AEN)”。这类“兼职”神经元在七鳃鳗脑中占据主导地位，在:斑马鱼脑中也具有较高比例。

    与此同时，从斑马鱼开始，有颌类脑中已经出现功能特化的“专职”神经元，分工明确，在后续脊椎动物演化过程中，这类“专职”神经元逐渐成为脑中的主要神经元类型;而在羊膜动物(爬行类、鸟类和哺乳类)中，“兼职”的AEN则显著减少，并逐渐被基因表达更特异、功能更专门的神经元所取代。更有意思的是，这些“专职”神经元的出现时间，恰好与有颌类共同祖先经历的脊椎动物第二轮全基因组复制(2R)事件高度吻合。全基因组复制相当于全部基因的翻倍，更大的“基因零件库”，更充足的遗传物质基:础，可能为有颌类神经元类型和功能多样化提供了关键支撑。

    此外，针对长期存在争议的脊椎动物小脑起源问题，研究人员在七鳃鳗"小脑样区域"中鉴定出一类与斑马鱼小脑中间神经元分子特征高度相似的细胞。这一发现表明，七鳃鳗脑中可能已经存在一个雏形小脑:没有分层且弥散分布、以类小脑中间神经元为主。这一小脑雏形，可能为后续有颌类层状精细化小脑结构的演化奠定了基础。这一发现也为长期存在争议的小脑起源问题提供了新的分子证据。

研究的整体设计与主要发现

    该研究重建了脊椎动物脑演化的重要祖先特征，为理解复杂脑结构如何产:生和演化提供了新的视角，随着空间组学技术的发展，有望成为未来研究:脑演化的重要参考资源。

    该研究成果以封面论文的形式发表在《科学》上。电子游戏app下载安装博士研究生吴海旭、杭州华大生命科学研究院副院长陈铎元、辽宁师范大学副教授李军、华大生命科学研究院博士研究生周涛和副研究员庄镇堃为共同第一作者;中国科学院昆明动:物研究所研究员宿兵、华大生命科学:研究院研究员刘石平、辽宁师范大学:教授逢越为共同通讯作者。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。