来源：Dr. Arjan Vink, Max Planck Institute
乌龟的三层大脑皮质（左）与乌龟背侧大脑皮质中不同种类神经元（右）的图像。这些神经元被荧光原位杂交所标记，所标记的两种基因在两种不同的神经元类型中被表达。© MPI f. Brain Research
我们的大脑充斥着神经元的连接和回路。它由海马体一类的“古老”脑区和“新生”脑区共同组成，“新生”脑区包含了一个具有六层结构的“新皮质”，新皮质仅出现在哺乳动物，尤其是人类之中。但是，大脑皮质的组成区域是何时又是如何进化出来的？在法兰克福的马克斯普朗克大脑研究所(Max Planck Institute for Brain Research)的科学家们研究了乌龟和蜥蜴的大脑皮质的基因表达，发现它们和哺乳动物的大脑皮质之间有意想不到的相似点和差异。这些结果是重建脊椎动物大脑进化过程的里程碑。
从很多方面来说，我们就是我们的大脑皮质。它的回路塑造了我们对世界的感知，保存了我们的记忆，规划了我们的行为。具有典型的分层结构的大脑皮质仅在包括人类在内的哺乳动物和非鸟类的爬行动物中出现，比如蜥蜴和乌龟。哺乳动物，爬行动物和鸟类都起源于大约生存在3.2亿年前的同一个祖先。神经科学家认为，这个祖先有一个三层的小皮质，因为今天在哺乳动物的海马体和现代爬行动物的所有皮质中都发现了类似的结构：这些三层的皮质很有可能和它们共同祖先的皮质相对应。
几十年来，爬行动物和哺乳动物大脑之间的解剖学差异引发了许多有关皮质进化的争议。包括爬行动物的这一部分大脑到底是否与哺乳动物的那一部分相对应，或者哺乳动物新皮质的层状结构是否也存在于爬行动物中，只是用传统方法无法检测到。吉尔斯·劳伦特(Gilles Laurent)和他在马普大脑研究所的研究小组采用了一种不同的方法，集中研究了构成皮质回路的种种神经元的分子特征。
转录组测序
神经元可以通过形态、神经递质、连接和功能的不同来区分它们的类型。这些特征由不同基因组的表达而产生；因此，通过测量神经元包含的信使RNA分子（它们的“转录组”），单个神经元就可以被分类。研究的第一作者玛丽亚·安东尼埃塔·托斯(Maria Antonietta Tosches)和她的同事们使用专门的微流体平台，在微型水滴中逐一捕获了乌龟和蜥蜴细胞内的转录组，并对它们进行测序。
利用这些基因表达，科学家可以对数千个神经元进行分类。对于每种神经元，他们可以识别诊断标记基因，并利用这些基因来估测这种细胞类型在大脑中的位置，就像一幅原本均匀一致的皮质图像，后来突然变成不同区域色彩斑斓的拼贴画，每个区域包含了一种或多种细胞类型。
作者现在可以直接比较爬行动物的分子图和哺乳动物的大脑，寻找一对一的对应关系，甚至假想它们在3.2亿年前（现已灭绝）的共同祖先的大脑模样。
被迫折叠
“我们的研究结果很好地理清了我们对爬行动物大脑以及大脑进化的理解。”托斯说道。打个比方，这些新的分子图显示，爬行动物具有和哺乳动物海马体中的神经元类型相对应的神经元种类。海马体是一个负责空间定向和记忆形成的结构。在爬行动物中，海马体接近大脑中心，但与将其折叠起来的哺乳动物不同，爬行动物的海马体看起来像一张单一的纸片。“这就像在早期的哺乳动物中，原始海马体被逐渐增长的新皮质所推挤，自身不得不折叠，从而成为它在哺乳动物中的标志性构造。”
相反，爬行动物的非海马体皮质揭示了哺乳动物新皮质的复杂历史。打个比方，抑制性神经元在爬行动物和哺乳动物中表达了相似的基因组，这表明它们有一个共同的祖先。然而，兴奋性神经元却在这两组之间有很大差别。“哺乳动物的六层新皮质是一个由古老的和新生的神经元种类嵌合而成的迷人结构。”托斯说道。现在，科学家们能确认哺乳动物新皮质的真正新奇之处，即在基因表达发生巨大变化之后，会有新的兴奋性神经元种类诞生。
这项研究提出了许多新问题。古老的神经元类型在爬行动物和哺乳动物的皮质回路中是否具有相同的功能？这些分子上的相似性和差异性能否让我们进一步理解大脑功能和动物行为上的进化？“这些新的分子图中还有很多需要探索。”劳伦特说，“这只是一个开始。”
原始论文：Maria Antonietta Tosches, et al., “Evolution of pallium, hippocampus and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles,” Science, 03 May 2018: eaar4237; DOI: 10.1126/science.aar4237
翻译：童宁聪
审校：王泽宇
本文来自：环球科学
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