Science：针对蝾螈的细胞类型分析确定了脊椎动物前脑进化的创新

在脊椎动物进化过程中，第一批从水中过渡到陆地的四足动物面临着新的环境挑战，需要在神经系统方面进行适应性创新。这些创新分别体现在当今哺乳动物和蜥蜴类（爬行动物和鸟类）的六层新皮层（six-layered neocortex）和背侧室嵴（dorsal ventricular ridge, DVR）。新皮层和背侧室嵴在基因表达、连接性和功能方面有广泛的相似性，因此被认为是同源的。然而，最近的发育和成体基因表达数据挑战了这一观点，表明类似的分子和功能属性可能是通过趋同进化产生的，而不是通过共同的起源产生的。根据这一观点，哺乳动物的新皮层和蜥形类动物的背侧室嵴产生于大脑皮层（pallium）的不同部分：新皮层来自羊膜动物祖先背侧大脑皮层（dorsal pallium, DP）的简单三层皮层的扩展，DVR来自腹侧大脑皮层（ventral pallium, VP）的扩展。

如果新皮层和背侧室嵴有独立的进化起源，那么它们可能可以追溯到存在于前羊膜动物祖先中的不同大脑皮层区域。两栖动物在3.5亿多年前从其他四足动物中分化出来，因此可以为四足动物大脑的进化史提供关键的见解。两栖动物的端脑相对较小，解剖结构简单，没有明显的核或分层，因此有利于对整个结构的分析。在一项新的研究中，来自美国哥伦比亚大学等研究机构的研究人员我们利用一种具有真正变态后成体阶段的蝾螈物种---欧非肋突螈（Pleurodeles waltl），研究了两栖动物的神经元类型是否与来自新皮层或背侧室嵴的神经元在转录组上具有相似性，探究了它们的发育轨迹，并描述了广泛的连接模式。相关研究结果发表在2022年9月2日的Science期刊上，论文标题为“Cell-type profiling in salamanders identifies innovations in vertebrate forebrain evolution”。

通过利用单细胞RNA测序（scRNA-seq），这些作者建立了蝾螈端脑的细胞类型图谱，揭示了47个谷氨酸能神经元集群和67个GABA能神经元集群---复杂性和多样性比预期的要高。然后，他们利用传统的组织学和杂交链式反应原位杂交技术，在经过透明化处理的大脑中绘制了选定集群的标记基因的表达。这导致了蝾螈大脑的三维分子图，显示了沿中侧轴和径向轴的不同大脑皮层区域的分布。为了描述这些神经元的发育历史，他们在幼体欧非肋突螈大脑的四个发育阶段进行scRNA-seq。他们发现每个大脑皮层区域都有不同的发育轨迹，表明不同的遗传程序确定了蝾螈背侧大脑皮层和腹侧大脑皮层。为了比较四足动物的端脑神经元类型，他们对来自成年蝾螈、爬行动物（蜥蜴和海龟）和哺乳动物的scRNA-seq数据采用了流形整合算法。

重建脊椎动物端脑神经元类型进化。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abp9186。

蝾螈的腹侧大脑皮层显示出与爬行动物的前背侧室嵴部分的分子相似性，而背内侧大脑皮层（dorsomedial pallia）与哺乳动物的海马体、内嗅皮层（entorhinal cortex）和下托（subiculum）的神经元有分子相似性，但不与新皮层的神经元具有分子相似性。这表明蝾螈的背侧大脑皮层缺乏哺乳动物新皮层的细胞和分子特征，而是与哺乳动物新皮层和海马体之间的皮层区域更为相似。最后，他们确定四足动物物种之间的这些分子相似性是否反映在中尺度的连接模式中。他们证实蝾螈的腹侧大脑皮层连接模式部分类似于爬行动物的前背侧室嵴，而哺乳动物的嗅觉-内嗅-海马体回路的组成部分存在于蝾螈的外侧、背侧和内侧大脑皮层。

综上所述，这些发现表明蜥形类动物的前背侧室嵴至少由两组具有不同进化起源的神经元类型组成。一组可以追溯到四足动物祖先的前腹侧大脑皮层的一个专门区域，而另一组则是蜥形类动物的一个创新。此外，这些作者提出，哺乳动物六层新皮层中的锥体神经元类型是进化中的创新，是由确定祖先类型的基因调控程序的变化而产生的。这些发现证实了一个假设，前背侧室嵴和新皮层的功能相似性是趋同进化而非同源的结果。然而，哺乳动物的嗅觉-内嗅-海马体回路可能追溯到一个结构更简单的回路，而这个结构更简单的回路在四足动物的最后一个共同祖先中就已存在。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jamie Woych et al. Cell-type profiling in salamanders identifies innovations in vertebrate forebrain evolution. Science, 2022, doi:10.1126/science.abp9186.