人类5亿年前祖先的大脑可能长啥样
人类5亿年前祖先的大脑可能长啥样
——我国科学家绘制首个无颌类脊椎动物全脑3D图谱
如果你看过科幻巨制《沙丘》，一定对里面体型巨大的“沙虫”穿梭沙漠的画面印象深刻。很多人认为，“沙虫”原型来自一种真实存在的生物——七鳃鳗。
而自中世纪以来，七鳃鳗便是欧洲贵族餐桌上的珍馐。英国王室更有一个延续800多年的传统：在加冕典礼、周年庆典等特殊场合，要吃一种特殊的“七鳃鳗派”。
如今，这道“皇室名菜”里的食材，正为现代科学提供一把解开人类自身演化之谜的钥匙。
6月19日，《科学》以封面论文的形式，在线6发表了中国科学院昆明动物研究所宿兵团队等的联合研究成果。他们首次构建了无颌类脊椎动物七鳃鳗的全脑三维空间单细胞图谱，犹如启动了一台“时间机器”，最大程度重建了脊椎动物脑的祖先状态，揭示了神经元在5亿年演化中的奇妙转折。
《科学》封面。
“活化石”藏着惊人保守性
要寻找脊椎动物大脑的“祖先蓝图”，必须找到合适的“时间胶囊”。七鳃鳗在约4.5亿年前与包括人类在内的有颌类脊椎动物分化，其核心形态特征在化石记录中保持了长达3.6亿年的高度稳定，是公认的“活化石”。
“不能吃！”论文共同第一作者、中国科学院昆明动物研究所博士研究生吴海旭，第一时间打消了《中国科学报》记者脑中关于美味的想象，“包括我们研究使用的雷氏七鳃鳗在内，国内现存的还有东北七鳃鳗、日本七鳃鳗，都在前两年就被列为国家二级保护动物了。”
雷氏七鳃鳗体型仅20厘米左右，自由生活，也就是说，不像其他寄生生活的七鳃鳗那样，会吸血其他鱼类的血液。体型小，意味着脑结构更微小，这对空间转录组分析提出了极高的操作要求。
实验室中的成体雷氏七鳃鳗。
论文共同通讯作者宿兵介绍，过去的研究面临两难：经典神经解剖学，能看清形态，却读不出分子身份；传统单细胞测序，能识别细胞类型，却丢失了空间位置。
为此，研究团队创新性地结合了高精度空间转录组技术Stereo-seq，以及单细胞核RNA测序snRNA-se，试图绘制一幅“高清细胞身份地图”。
然而，获取高质量样本的过程堪称一场“极限挑战”。吴海旭回忆了实验中最紧张的攻坚时刻：“七鳃鳗死亡后，脑组织中的RNA在会快速降解。那么为了得到高质量数据，从连续切片到染色、拍照确认，必须在3小时内完成且不能出错。”
为此，他们与合作者华大生命科学研究院和辽宁师范大学团队进行了充分的筹谋规划和演练。
“实验的时候，请了华大非常熟练的操作员，我们五六个人围在旁边，大家都屏着呼吸看着：切一张下来就要尽快贴到芯片上，开展后续实验，之后立马再切一张做染色，中间还要拿摄像机拍照，记录切片在脑组织中的位置，然后再切。但凡其中一张切片出现一点儿失误，未来整个3D图谱的重构就不完整了。”吴海旭仍然历历在目。
当3小时的极限操作顺利完成，大家都在欢呼。
吴海旭介绍，“我们完成了超过200张连续不断地切片，选取其中质量最高的40张继续开展分析研究。”
这份来之不易的图谱覆盖了46万余个细胞，精确划分出14个主要脑区。令人震惊的是，当团队将七鳃鳗与小鼠的三维数据进行比较时，发现两者在脑区水平上的转录组保守性远超预期。
宿兵指出：“七鳃鳗脑中的神经元在百万级别，而小鼠是上亿个，看似差别非常大，但两者原始脑区的空间分布是非常接近的。”例如七鳃鳗嗅球与小鼠嗅球同样具备典型的分层结构，菱脑也保留了与有颌类一致的分节框架。
这说明，脊椎动物脑的主体框架在过去5亿年演化中几乎没怎么改变，这些“不变”的祖先蓝图，支撑了脊椎动物最基本的神经环路与生存功能。
“兼职”与“专职”：从“单板机”到“多核处理器”
在广泛保守的背景下，演化也带来了持续的创新。
研究团队整合了七鳃鳗、斑马鱼以及小鼠、猕猴等8个代表性脊椎动物的数据，揭示了一个出人意料的神经元演化图景。
在哺乳动物大脑中，兴奋性神经元和抑制性神经元分子表达截然不同，并且在功能上相互拮抗。但在七鳃鳗和斑马鱼等非羊膜类动物中，团队发现了一类特殊的神经元：它们同时共表达兴奋性和抑制性标记基因。
“我们可以将其理解为兼具双重分子特征的‘兼职’（AEN）神经元。”吴海旭介绍，这类神经元在七鳃鳗脑中占据94%左右的主导地位。而在后续演化中，从斑马鱼开始，有颌类脑中逐渐出现了功能特化的“专职”神经元；到了羊膜动物中，“兼职”的AEN神经元显著减少甚至几乎消失。
是什么驱动了这种从“兼职”到“专职”的转折？宿兵打了个比方：“这就像计算机的发展。早期的单板机，输入、输出和数据处理全部在一个硬件里完成；而后期演化出了CPU、GPU、内存等分工更明确的部件。人有1000亿个神经元，正是有了明确的分工，才能提供高效的神经信号传导。”
研究团队推断，这一转变可能与脊椎动物演化中的第二轮全基因组复制（2R）事件有关。
基因拷贝的冗余，为细胞类型的空间特化提供了遗传基础。例如，七鳃鳗中相关基因是单拷贝并广泛表达，而哺乳动物的旁系同源拷贝则呈现明显的空间分化。
“抽丝剥茧”寻找原始小脑雏形
小脑究竟何时起源？这是比较神经解剖学界长期争论的焦点。所有现存有颌类均呈现保守的层状小脑，但七鳃鳗到底有没有小脑？
为解答这一问题，团队在七鳃鳗脑中识别出一个推定的“小脑样区域”，并与斑马鱼进行系统比较。
“这个过程非常折磨人。”吴海旭坦言，“我们经常找不到该从哪一个角度切入，反复调参数和分析方法，折磨了好几个月。后来通过实验补充了斑马鱼的数据，经过不断积累，才得出更准确的解读。”
形态学上，七鳃鳗的小脑样区域缺乏明显的细胞分层组织模式。但在分子层面，结果却令人意外：团队识别出一个特异细胞簇，其转录组特征与斑马鱼小脑中间神经元高度相似。并且，成体七鳃鳗小脑样区域，显示出与小鼠小脑早期发育的转录组相似性。
这表明，七鳃鳗并非完全缺乏小脑，而是可能已经存在一个弥散分布、以类小脑中间神经元为主导的“原始小脑雏形”，代表了脊椎动物祖先的小脑状态。
目前，该研究构建的七鳃鳗脑3D可视化图谱数据已正式上线CNGB数据库，向全球开源，以望为未来解析人类复杂认知起源与脑疾病机制提供依据。
“生命科学的组学数据，跨越的时间尺度很大。建立图谱不是最难的，最关键的是利用图谱去解决科学问题。”宿兵感慨道，“耐得住心性，是科研中大家都会遇到的问题。分析方法、思路都需要自己去梳理，这是一个探索的过程，其实非常有趣。如果你很轻易拿到一个结果，那这个结果也许不那么重要。”