圖注：海龜三層結構皮層（左）和背側皮層典型神經元類型（右）照片。兩種神經元的兩個基因進行熒光原位雜交標記神經元。
我們的大腦皮層是由一大片神經元連接的迴路，其中包括“原始”的區域，如海馬；以及“新”的區域，如只存在於哺乳動物中的“新皮質”。但在進化過程中大腦皮層何時出現又如何進化的呢？德國法蘭克福馬克斯普朗克（Max PlanckInstitute）腦研究所的科學家們研究了海龜和蜥蜴皮層神經元的基因表達，發現它們與哺乳動物大腦皮質有著意想不到的相似性和差異性，這些結果堪稱是重建脊椎動物腦進化的里程碑。
哺乳動物、爬行動物和鳥類起源於大約3億2000萬年前，它們有著共同祖先。神經科學家認為，這個祖先的大腦有一個三層結構的小皮層，因為今天在哺乳動物的海馬體和現代爬行動物的所有皮層中都發現了類似的結構：該小皮層可能對應於它們共同的祖先皮層。
一直以來，人們都是基於發育、解剖特徵來對爬行動物皮層和哺乳動物的新舊皮層進行比較，以尋找相似性、潛在祖先特徵和獨立進化兒產生的差異，新研究則以爬行動物神經元的分子特性為基礎，提供了前所未有的數據來幫助重建皮質進化的過程。法蘭克福馬克斯普朗克腦研究所的Gilles Laurent和他的研究小組重點研究了組成皮層迴路的無數神經元類型的分子特徵。
研究的第一作者Maria Antonietta Tosches和同事們在獲取海龜和蜥蜴細胞的轉錄組後，對它們進行了測序。利用這些基因表達譜，科學家可以對成千上萬的神經元進行分類，找到每種類型神經元的標記基因，並使用它們來評估細胞在大腦中的位置。此時，我們可以想象一張皮質的圖片突然變成一個彩色區域的拼貼，而每個區域都包含一個或幾個特徵細胞類型。作者們將爬行動物分子圖譜與哺乳動物大腦直接進行比較，找到一對一的對應關係，甚至得出3億2000萬年前共同祖先的大腦的假說（現在已經滅絕）。
Tosches說：“我們的研究結果極大地闡明瞭我們對爬行動物大腦的理解，從而理解了大腦的進化過程。”例如，這些新的分子圖譜顯示，爬行動物具有與哺乳動物海馬中發現的神經元類型對應的神經元，該結構涉及空間取向和記憶的形成。在爬行動物中，海馬在大腦的中心單獨存在，並不摺疊。Laurent補充說：“從早期哺乳動物看來，祖先海馬已經被越來越多的支配性新皮層推動並被迫摺疊起來。”
相反，無海馬的爬行動物皮層揭示了哺乳動物新皮層複雜的歷史。例如，抑制性神經元在爬行動物和哺乳動物中表達相似的基因，表明其有一個共同的祖先。然而，興奮性神經元在這兩組間差異很大。Tosches說：“哺乳動物六層的大腦新皮質是由古老的神經元類型和新的神經元類型組成的一種嵌合體。”科學家現在可以指出哺乳動物新皮層的真正新奇性，即基因表達程序發生變化後，新類型的興奮性神經元的出現。
研究開闢了許多新的問題。古代神經元類型在爬行動物和哺乳動物皮質迴路中有相同的功能嗎？這些分子的相似性和差異能告訴我們大腦功能和動物行為的演變嗎？Laurent說：“從這些新的分子圖譜中可以挖掘更多的東西，這只是一個開始”。
編譯：小貝 審稿：西莫 編輯：程建蘭
來源：https://scitechdaily.com/turtle-and-lizard-brains-shed-light-on-human-brain-evolution/
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