▲雷氏七鳃鳗浅沙特写

6月19日，记者从中国科学院昆明动物研究所获悉，科研人员首次绘制出七鳃鳗全脑三维空间单细胞图谱，揭示了脊椎动物大脑早期演化的重要特征。相关成果以封面论文形式发表在国际顶级学术期刊《Science》上。

5亿年前的大脑或已具备复杂结构

人类的大脑为何能够思考、学习和创造？要回答这个问题，科学家需要先弄清楚脊椎动物最早的大脑是什么样子。

此次研究的主角——七鳃鳗，是一种现存古老脊椎动物。它没有上下颌，外形像鳗鱼，被认为是研究脊椎动物起源和演化的重要“活化石”。大约4.5亿年前，它与包括人类在内的有颌类脊椎动物祖先分化。由于其核心形态特征在长达3.6亿年的化石记录中几乎没什么变化，堪称是“活化石”物种，因此也被认为是探寻脊椎动物祖先状态的重要“钥匙”。

中国科学院昆明动物研究所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，利用空间组学等前沿技术，为七鳃鳗绘制出一张覆盖整个大脑的三维“地图”。这张“地图”不仅显示了不同细胞的位置和分布情况，也为追溯远古脊椎动物脑结构提供了重要依据。

通过将七鳃鳗与小鼠的大脑进行比较，研究人员发现，尽管两者相隔数亿年演化历史，但许多脑区在功能和基因表达方面仍然保留着相似特征，包括嗅觉相关区域、脑干部分区域以及一些核心细胞类型等。这表明，早在脊椎动物共同祖先时期，大脑可能已经形成较为明确的功能分区，并拥有复杂的分子调控体系。

神经元或经历从“兼职”到“专职”的演化

在此基础上，研究人员进一步汇集了斑马鱼、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，开展跨物种比较分析。研究发现，脊椎动物神经元演化中存在“兼职”和“专职”两种模式。通常情况下，大脑中的兴奋性神经元负责促进信号传递，抑制性神经元负责调节和抑制信号，两者分工明确。但在七鳃鳗和斑马鱼脑中，研究人员发现了一类同时具备两种特征的神经元，既能促进信号传递，也能抑制信号活动，相当于同时承担“油门”和“刹车”两种功能。

而在后续演化过程中，功能分工更加明确的神经元逐渐增多，并成为鸟类、哺乳动物等类群脑中的主要神经元类型。基于这一发现，研究团队提出，脊椎动物神经元可能经历了从“兼职”到“专职”的演化过程，而这一变化可能与有颌类祖先经历的第二轮全基因组复制事件有关。更丰富的遗传物质，为神经元类型和功能的不断细化提供了基础。

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。这意味着七鳃鳗脑中可能已经存在一种原始的小脑雏形，为后续有颌类脊椎动物演化出结构更加复杂的小脑奠定了基础。

研究人员表示，该成果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。随着空间组学技术不断发展，这张七鳃鳗全脑“地图”有望成为未来研究脊椎动物脑演化的重要参考资源。

开屏新闻记者 杨质高 文 中国科学院昆明动物研究所 供图

一审 资渔

责任编辑 猫恩泊

责任校对 李鸿睿

主编 林舒佳

终审 编委 曹婕