神经元中的基因表达解决了大脑进化难题

新皮质是人类智力的所在地。新数据表明，哺乳动物只有在从爬行动物进化分裂出来后，才用新型细胞创造了它

许多研究人员认为，哺乳动物的新皮质和爬行动物大脑的类似区域可能具有共同的进化起源

新皮质站立作为生物进化的惊人成就。所有哺乳动物的大脑都有这样的组织覆盖，其中六层密集的神经元负责处理产生认知能力的复杂计算和关联。由于哺乳动物以外的动物都没有新皮质，因此科学家们想知道如此复杂的大脑区域是如何进化的。

爬行动物的大脑似乎提供了线索。爬行动物不仅是哺乳动物的近亲，而且它们的大脑具有三层结构，称为背侧脑室脊或 DVR，其功能与新皮质相似。50 多年来，一些进化神经科学家一直认为，新皮质和 DVR 都源自哺乳动物和爬行动物共有的祖先的一个更原始的特征。

然而，现在，通过分析人眼不可见的分子细节，科学家们驳斥了这一观点。哥伦比亚大学的研究人员通过观察单个脑细胞的基因表达模式表明，尽管在解剖学上存在相似性，但哺乳动物的新皮质和爬行动物的 DVR 并不相关。相反，哺乳动物似乎已经将新皮质进化为一个全新的大脑区域，一个在建造时没有任何痕迹的大脑区域。新皮质由新型神经元组成，这在祖先动物中似乎没有先例。

锥体神经元是新皮质中最丰富的神经元类型。最近的研究表明，新皮质中的几种类型是作为哺乳动物的创新进化而来的。

描述这项工作的论文由进化和发育生物学家Maria Antonietta Tosches领导，于去年 9 月发表在《科学》杂志上。

大脑中的这种进化创新过程并不局限于新部分的创造。Tosches 和她的同事在同一期《科学》杂志上的其他工作表明，即使看似古老的大脑区域也在通过与新型细胞重新连接而继续进化。基因表达可以揭示神经元之间这些重要区别的发现也促使研究人员重新思考他们如何定义某些大脑区域，并重新评估某些动物是否拥有比他们想象的更复杂的大脑。

单个神经元中的活性基因

早在 1960 年代，有影响力的神经科学家保罗·麦克莱恩 (Paul MacLean) 提出了一个关于大脑进化的错误想法，但仍然对该领域产生了持久影响。他认为基底神经节是大脑底部附近的一组结构，是从爬行动物进化而来的“蜥蜴脑”的遗留物，负责生存本能和行为。当早期哺乳动物进化时，它们在基底神经节上方添加了一个用于调节情绪的边缘系统。根据 MacLean 的说法，当人类和其他高级哺乳动物出现时，它们添加了一个新皮质。就像“思维帽”一样，它位于堆栈的顶部并赋予更高的认知能力。

在蝾螈大脑中称为大脑皮层的部分发现的细胞类型似乎与哺乳动物新皮质中的任何细胞都不匹配。这一结果表明新皮质完全独立进化。

 由 TOSCHES 实验室提供

卡尔·萨根 (Carl Sagan) 在其 1977 年获得普利策奖的著作《伊甸之龙》(The Dragons of Eden)中描述了这种“三脑”模型后，便引起了公众的想象。进化神经科学家对此印象不深。研究很快揭穿了这个模型，最终证明大脑区域不会一个接一个地整齐地进化。蒙特利尔大学的认知神经科学家保罗·西塞克 (Paul Cisek)解释说，相反，大脑作为一个整体进化，其中较旧的部分进行修改以适应新部分的添加。“这不像升级你的 iPhone，在那里你加载一个新的应用程序，”他说。

对新大脑区域起源的最有说服力的解释是，它们主要是通过复制和修改先前存在的结构和神经回路而进化的。对许多进化生物学家来说，例如加利福尼亚大学圣地亚哥分校的哈维·卡滕，哺乳动物新皮质和爬行动物 DVR 之间的相似性表明它们在进化方面是同源的——它们都是从一个结构进化而来的哺乳动物和爬行动物共有的祖先。

但包括西班牙穆尔西亚大学的Luis Puelles在内的其他研究人员不同意。在哺乳动物和爬行动物的发育过程中，他们看到了新皮质和 DVR 通过完全不同的过程形成的迹象。这暗示新皮质和 DVR 是独立进化的。如果是这样，它们的相似性与同源性无关：它们可能是由结构的功能和限制决定的巧合。

关于新皮质和 DVR 起源的争论持续了数十年。然而，现在，一项最近开发的技术正在帮助打破僵局。单细胞 RNA 测序使科学家能够读出单个细胞中正在转录的基因。从这些基因表达谱中，进化神经科学家可以识别出单个神经元之间的大量详细差异。他们可以利用这些差异来确定神经元在进化上的相似程度。

进化生物学家 Maria Antonietta Tosches（左二）和她的实验室成员最近使用基因表达数据来确定哺乳动物新皮质和爬行动物背侧脑室脊的起源。

“观察基因表达的优势在于，你正在分析一些比较苹果与苹果的东西，”艾伦脑科学研究所的分子神经科学家Trygve Bakken说。“当你将蜥蜴的 A 基因与哺乳动物的 A 基因进行比较时，我们知道……它们实际上是同一回事，因为它们具有共同的进化起源。”

该技术开创了进化神经科学的新纪元。“它向 [我们] 展示了我们根本不知道存在的新细胞群，”马萨诸塞大学阿默斯特分校进化基因组学专家Courtney Babbitt说。“很难研究你不知道存在的东西。”

2015 年，单细胞 RNA 测序的突破将样本中可用于的细胞数量增加了一个数量级。Tosches 当时刚刚在德国马克斯普朗克大脑研究所的Gilles Laurent实验室开始她的博士后研究，她很高兴能够使用该技术研究新皮质的起源。“我们说，’好吧，让我们试一试，’”她回忆道。

三年后，Tosches 和她的同事发表了他们的第一个结果，将海龟和蜥蜴的神经元细胞类型与小鼠和人类的神经元细胞类型进行了比较。基因表达的差异表明，爬行动物的 DVR 和哺乳动物的新皮质是从大脑的不同区域独立进化而来的。

“2018 年的论文确实是一篇具有里程碑意义的论文，因为它是哺乳动物和爬行动物之间神经类型的第一个真正全面的分子表征，”加州大学圣克鲁兹分校的分子神经科学家 Bradley Colquitt说。

Tosches 的实验室使用一种叫做尖肋蝾螈的蝾螈来帮助确定早期两栖陆地动物可能出现的大脑创新。

但要真正证实这两个大脑区域并非从同一个祖先进化而来，Tosches 和她的团队意识到他们需要更多地了解哺乳动物和爬行动物的神经细胞类型与远古共同祖先的神经元相比如何。

他们决定在一种叫做尖肋蝾螈的蝾螈的大脑中寻找线索。（它的名字来源于它能够将肋骨推出皮肤以毒害和刺穿捕食者。）火蜥蜴是两栖动物，在第一批四足动物出现后约 3000 万年，它们从与哺乳动物和爬行动物共有的血统中分离出来在哺乳动物和爬行动物彼此分裂之前数百万年在陆地上徘徊。像所有脊椎动物一样，蝾螈有一种叫做大脑皮层的结构，位于大脑前部附近。如果蝾螈大脑皮层中的神经元类似于哺乳动物新皮层或爬行动物 DVR 中的神经元，那么这些神经元一定存在于所有三类动物共有的远古祖先中。

从新皮质开始

在他们 2022 年的论文中，Tosches 的实验室对数千个蝾螈脑细胞进行了单细胞 RNA 测序，并将结果与​​之前从爬行动物和哺乳动物中收集的数据进行了比较。研究人员精心准备并标记了微小的蝾螈大脑，每个大脑的体积约为小鼠大脑的五十分之一。然后将大脑放入鞋盒大小的机器中，该机器在大约 20 分钟内准备好所有样品以进行测序。（Tosches 指出，在最近的技术改进之前，这需要一年的时间。）

在研究人员分析了测序数据后，争论的答案就变得清晰了。蝾螈中的一些神经元与爬行动物 DVR 中的神经元相匹配，但有些则不匹配。这表明至少部分 DVR 是从与两栖动物共有的祖先的大脑皮层进化而来的。DVR中不匹配的细胞似乎是两栖类和爬行动物谱系分化后出现的创新。因此，爬行动物 DVR 是遗传神经元和新型神经元的混合体。

然而，哺乳动物是另一回事。蝾螈的神经元与哺乳动物新皮质中的任何东西都不匹配，尽管它们确实类似于新皮质外哺乳动物大脑部分的细胞。

此外，新皮质中的几种细胞——特别是构成结构中大部分神经元的锥体神经元类型——也与爬行动物中的细胞不匹配。因此，Tosches 和她的同事提出，这些神经元仅在哺乳动物中进化。他们不是第一个提出细胞起源的研究人员，但他们是第一个使用单细胞 RNA 测序的强大分辨率为它提供证据的人。

Tosches 和她的团队提出，基本上所有哺乳动物的新皮质都是进化创新。因此，虽然至少部分爬行动物的 DVR 是从一种祖先生物的大脑区域改编而来，但哺乳动物的新皮质进化为一个新的大脑区域，新的细胞类型正在蓬勃发展。他们对数十年争论的回答是，哺乳动物的新皮质和爬行动物的 DVR 不是同源的，因为它们没有共同的起源。

研究比较神经生物学和动物行为的加州大学欧文分校神经科学研究员乔治·斯特里特 ( Georg Striedter)称赞这些发现令人兴奋和惊讶。“我觉得它为我只是猜测的事情提供了非常好的证据，”他说。

Tosches 团队的新答案并不意味着哺乳动物的新皮质进化为整齐地位于较老的大脑区域之上，正如三位一体大脑理论所提出的那样。相反，随着新皮层的扩张和新型锥体神经元的诞生，其他大脑区域也随之不断进化。他们不只是作为一个古老的“蜥蜴大脑”在下面。新皮质中出现的复杂性甚至有可能推动其他大脑区域进化——反之亦然。

Tosches 和她的同事最近在 2022 年 9 月号的《科学》杂志上发表的第二篇论文中发现了证据，证明看似古老的大脑区域仍在进化。她与她的博士后导师 Laurent 合作，通过比较蜥蜴大脑和小鼠大脑，了解单细胞 RNA 测序可以揭示新旧细胞类型的哪些信息。首先，他们比较了每个物种的全部神经细胞类型，以找到它们共有的神经细胞类型，这些细胞类型一定是从一个共同的祖先传下来的。然后他们寻找物种之间不同的神经细胞类型。

他们的结果表明，在整个大脑中都发现了保守的和新的神经细胞类型——而不仅仅是在最近出现的大脑区域。约翰霍普金斯大学的进化神经科学家Justus Kebschull说，整个大脑是新旧细胞类型的“马赛克” 。

重新思考定义

然而，一些科学家表示，宣布辩论结束并不那么容易。康奈尔大学的进化神经科学家Barbara Finlay认为，仍然有必要研究神经元是如何产生的，以及它们在发育过程中如何迁移和连接，而不是仅仅比较它们在成年两栖动物、爬行动物和哺乳动物大脑中的最终位置。Finlay 认为，如果能将这些发现全部整合起来，那将是“了不起的”。“我想我们会及时的，”她说。

Tosches 指出，两栖动物的大脑可能已经失去了一些存在于更早的共同祖先中的复杂性。Tosches 说，为了确定这一点，研究人员需要对原始硬骨鱼类或其他至今仍存活的两栖动物进行单细胞 RNA 测序。该实验可以揭示在哺乳动物中看到的任何类型的神经元是否在两栖动物之前在动物中有前身。

Tosches 和她的同事的工作也引发了关于该领域是否应该重新考虑什么是大脑皮层以及哪些动物有大脑皮层的新讨论。目前的定义是，大脑皮层必须有可见的神经层，如新皮层或 DVR，但 Tosches 认为这是传统神经解剖学遗留下来的“包袱”。当她的团队使用新的测序工具时，他们也在蝾螈的大脑中发现了分层的证据。

“对我来说，没有理由说蝾螈或两栖动物没有皮质，”Tosches 说。“在这一点上，如果我们称爬行动物皮层为皮层，我们也应该称蝾螈大脑皮层为皮层。”

Babbitt 认为 Tosches 说得有道理。“仅仅基于我们现在拥有的工具，这些东西是如何用经典形态学来定义的，”巴比特说。

问题在于神经科学家应该如何看待鸟类。专家们一致认为，鸟类具有令人印象深刻的认知能力，可以与许多哺乳动物匹敌或超越。因为鸟类是爬行动物的后代，它们也有 DVR——但出于某种原因，它们的 DVR 和其他“类皮层”大脑区域都没有组织成明显的层次。可见层的缺失似乎并没有阻止这些区域支持复杂的行为和技能。尽管如此，鸟类仍未被认为具有皮质。

如此强烈地关注外表可能会让科学家误入歧途。正如 Tosches 团队的新单细胞数据所显示的那样，“在同源性方面，外表可能具有欺骗性，”Striedter 说。