Science：七鳃鳗大脑3D图谱揭示脊椎动物“祖传蓝图”——500万年演化中细胞类型保守而功能重塑

脊椎动物大脑极为复杂，包含不同脑区和多样的细胞类型，这些结构在超过 5亿年 的进化中促成了显著的行为适应。理解这种复杂性如何产生，需要对脊椎动物各谱系进行系统的跨物种分析。七鳃鳗（lamprey）是一种无颌脊椎动物，约在 4.5亿年前 与有颌脊椎动物分化，是现存最基底的脊椎动物之一。尽管其大脑保留了基本结构特征，包括端脑、间脑、中脑和菱脑，但缺乏某些特化结构，如分层的皮层或完全发育的小脑。这使得七鳃鳗成为区分古老祖先特征与后期进化创新的关键模型。

虽然单细胞测序已对多种物种的脑细胞进行了分类，但一直缺乏对无颌脊椎动物大脑基因表达进行 三维空间 层面的全面理解。为了揭示脊椎动物大脑的进化蓝图，研究人员在一项新的研究中结合了单核RNA测序（snRNA-seq）和高分辨率空间转录组学，构建了成年七鳃鳗大脑的完整三维分子图谱。随后，他们进行了广泛的跨物种比较，将七鳃鳗数据与新产生的斑马鱼数据以及来自爬行动物、鸟类和哺乳动物（尤其是小鼠的空间转录组数据）的现有数据集进行了整合。这些分析使他们能够在多个维度上追踪脊椎动物谱系的进化轨迹，包括脑结构组织、细胞组成、空间分布和分子特征。

他们的三维图谱鉴定了分布在七鳃鳗 14个 主要脑区的 209种 不同细胞群体。他们发现大脑整体蓝图具有深度的进化保守性——在七鳃鳗和小鼠中，嗅球、丘脑和后脑等结构具有显著相似的细胞组成和空间布局。与此同时，他们也发现了显著的进化分歧，包括前脑分层组织的差异以及中脑独特细胞群的存在，突显了局部的进化创新。此外，他们揭示了大脑神经元运作方式的一个根本性转变：在脊椎动物大脑进化过程中，神经元经历了广泛的特化，这种特化由基因变化驱动，使这些细胞群体在物理上重组并在功能上多样化。最后，他们在七鳃鳗中鉴定出了特化的小脑细胞，表明小脑的基本细胞框架在有颌脊椎动物完全发育的小脑结构出现之前很久就已存在。

所有脊椎动物的共同祖先已经拥有一个高度精密的大脑蓝图，具有不同的解剖区域和多样的细胞群体。在脊椎动物进化过程中，大脑复杂性的增加不仅通过新区域的添加，更通过古老细胞类型的深刻特化和空间重组来实现。从功能广泛、非特化的祖先神经网络向现代哺乳动物高度精确、分隔的回路转变，突出了驱动脊椎动物大脑功能多样化的核心机制。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Haixu Wu et al, Lamprey 3D single-cell transcriptomics reveals ancestral and specialized features of the vertebrate brain, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aea2535.