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复杂的脑区是如何演化出来的？

晰数塔互联网快讯
2023-07-27 08:34

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Allison Whitten，译者：顾金涛，审校、编辑：M.W，，原文标题：《从爬行动物到哺乳动物：新皮质的独立演化之路》，头图来自：《超体》剧照截图

新皮层（neocortex）是生物演化的得意之作。这个由六层紧密堆积的细胞组成的组织，如毛毯般包裹着所有哺乳动物的大脑，其中的神经元承担了复杂的计算和整合工作，从而产生了超凡的认知水平。

除哺乳动物以外，没有其他动物有新皮层，这让科学家感到好奇：如此复杂的脑区是如何演化出来的？爬行动物的脑似乎给了我们一些线索。爬行动物不仅是现存的与哺乳动物关系最近的动物类群，它们的大脑还有一个被叫做背侧脑室嵴（dorsal ventricular ridge，DVR）的三层结构，该结构在功能上与新皮层相似。

50多年来，一些演化神经科学家认为，新皮层和DVR都演化自哺乳动物和爬行动物共同祖先的一个更原始的结构。

椎体神经元是新皮层中数量最多的一种神经元。最近的研究显示其中一些类型是哺乳动物的“原创”——Ekaterina Epifanova and Marta Rosário

然而如今，通过分析肉眼不可见的分子细节，科学家推翻了这个假说。哥伦比亚大学的研究者通过观察单个脑细胞中的基因表达，得出结论：虽然新皮层和DVR解剖结构上相似，但它们在遗传上却没有联系。哺乳动物的新皮层似乎是全新演化出的脑区，在祖先物种中也找不到组成新皮层的这些新神经元的原型。

该研究的论文发表在2022年9月的《科学》杂志上[1]，作者是演化和发育生物学家玛丽亚·安东尼埃塔·托切斯（Maria Antonietta Tosches）[2]。该演化过程不仅仅是在脑中增加新部件。托切斯和她的合作者在该期《科学》杂志上发表的另一项研究表明，哺乳动物脑中，即使是看上去更原始的脑区，也会通过和新类型的神经元产生连接不断演化。这项研究用基因表达揭示了神经元之间的分别，该发现也促使研究者们重新思考他们定义脑区的方式，也重新审视一些动物的脑是否比他们之前想的更复杂。

一、单个神经元中的活跃基因

回到20世纪60年代，神经科学家保罗·麦克莱恩（Paul MacLean）提出了一项日后被证明有误的脑演化理论，却对领域产生了长远影响。他认为基底神经节（basal ganglia），也就是一群位于脑底部的神经核团结构，是“蜥蜴脑”的遗迹，即从爬行动物中演化出的负责生存本能行为的结构。他还认为在哺乳动物演化早期，基底神经节之上又新增了一个边缘系统（limbic system）来调控情绪；而人类和其他更晚近的哺乳动物出现时，又新增了新皮层。

在麦克莱恩的理论中，新皮层就像是一个“思考帽”一样盖在更原始的结构之上，赋予了哺乳动物高级认知。

在蝾螈脑的皮质（pallium）中发现的细胞类型，似乎并不与哺乳动物新皮层中的任何细胞匹配。这些结果表明新皮层完全是独立演化出来的。—托切斯实验室

卡尔·萨根（Carl Sagan）在他1977年的普利策奖获奖作品《伊甸园之鹰》中，介绍了麦克莱恩的这个“脑的三位一体模型”，激起了公众的想象。而演化神经科学家则并不那么信服。很快，研究就确凿否定了模型，脑区并不是整齐地一个接一个演化出来的。大脑是作为一个整体演化的，更原始的结构会发生变化来适应新结构的出现，蒙特利尔大学认知神经科学家保罗·西塞克（Paul Cisek）[3]解释说：“这和你升级iPhone时一个一个安装新app可不一样。”

关于新脑区起源依据最充足的解释是，它们的演化大多通过倍增和修改已有的脑结构和神经环路。对很多演化生物学家，例如加州大学圣迭戈分校的哈维·卡滕（Harvey Karten）来说，哺乳动物新皮层和爬行动物DVR之间的相似性暗示它们是演化意义上的同源结构，也就是说它们演化自哺乳动物和爬行动物共同祖先的同一结构。

但是其他研究者，例如西班牙穆尔西亚大学的路易斯·普埃勒斯（Luis Puelles），并不同意。在哺乳动物和爬行动物的发育过程中，他们观察到新皮层和DVR的形成经历了完全不同的过程。这提示新皮层和DVR是独立演化的。如果是这样，那么它们之间的相似性就和同源性完全无关了；相反，这种相似可能只是由功能和结构限制造成的巧合。

关于新皮层和DVR起源的争议绵延了数十年。如今，一项新技术帮助我们打破了僵局。单细胞RNA测序技术，让科学家能读出每个细胞里哪些基因被转录了。从基因表达谱中，演化神经科学家可以确定单个神经元之间的许多细节区别。他们可以用这些区别来判断这些神经元在演化上有多相似。

艾伦脑科学研究所的分子神经科学家特吕格弗·巴肯（Trygve Bakken）说：“研究基因表达的优势在于你能通过比较相似的东西来描绘神经元。当我们比较蜥蜴中的基因A和哺乳动物中的基因A，我们就能知道……它们真的是同一样东西，因为它们有共同的演化起源。”

该技术为演化神经科学开启了新篇章。马斯诸塞大学阿默斯特分校的演化基因组学专家考特尼·巴比特（Courtney Babbit）说：“它向我们展示了我们之前从不知其存在的新细胞集群。研究这种东西很不容易。”

2015年，单细胞RNA测序技术的突破，使得单个样本能分析的细胞数量提高了一个数量级。托切斯当时刚开始在德国马克斯普朗克脑研究所的吉勒斯·劳伦（Gilles Laurent）实验室做博后，她很兴奋地用该技术来研究新皮层的起源。她回忆道：“当时我们说：‘好，让我们试一下。’”

三年后，托切斯和同事发表了她们的第一篇将龟和蜥蜴的神经细胞类型与人和小鼠做比对的实验结果[4]。基因表达的区别显示，爬行动物DVR和哺乳动物新皮层是从脑的不同区域独立演化的。

“那篇2018年的论文是一个里程碑，因为它是第一篇全面描述哺乳动物和爬行动物神经细胞的分子层面区别的论文。”加州大学圣克鲁兹分校的分子神经科学家布莱德利·科尔奎特（Bradley Colquitt）说。

托切斯实验室用尖肋蝾螈（Pleurodeles waltl）来帮助鉴定早期两栖陆地动物产生了什么新的脑结构。—Blickwinkel / Alamy

但为了真正确定两个脑区并不演化自同一原始结构，托切斯和她的团队意识到，他们需要把哺乳动物和爬行动物的神经细胞类型与一个更原始的共同祖先进行比较。

他们决定在一种叫尖肋蝾螈的两栖动物中寻找线索（它们得名于其能突出皮肤、用于蛰伤捕食者的肋骨）。爬行动物和哺乳动物的共同祖先在第一只四足动物踏上陆地后3000万年后与两栖动物分化；数百万年后，爬行动物和哺乳动物分化开。与所有脊椎动物一样，蝾螈脑中有一个叫做皮质（pallium）的结构坐落于脑前端附近。如果蝾螈的皮质中有与哺乳动物新皮层或爬行动物DVR相似的结构，那么这些神经元一定存在于三种动物类群共同的原始祖先脑中。

二、新皮层：从新开始

在托切斯实验室2022的论文中，他们用单细胞RNA测序研究了数千个蝾螈脑细胞，并将结果与爬行动物和哺乳动物中的结果进行比较。蝾螈微小的脑只有小鼠脑的十五分之一大，研究者花费好大力气分离并标记了这些脑，但只要把它们放进一个鞋盒大小的机器中，花20分钟左右就能准备好测序所用的所有样本。（托切斯说在最近的技术革新之前要花上一年）

研究者分析了测序数据后，争论的答案变得明晰。蝾螈的一些神经元与爬行动物DVR匹配，另一些则不匹配。这意味着至少部分DVR起源于爬行动物与两栖动物的共同祖先。DVR中不匹配的神经元，则像是爬行动物与两栖动物分化之后新产生的。那么爬行动物的DVR实际上混合了继承（自与两栖动物的共同祖先）的神经元和新神经元。

哺乳动物则完全是另一个故事。蝾螈皮质的神经元并不与哺乳动物新皮层的任何细胞匹配，但与哺乳动物新皮层以外的脑结构的一些细胞相似。

许多研究人员认为，哺乳动物的新皮质和爬行动物的大脑类似区域可能具有共同的演化起源。但新的研究表明，这些结构是单独演化的，并且由不同类型的细胞组成。—Samuel Velasco/Quanta Magazine

此外，新皮层中的一些细胞——尤其是一些占了新皮层中神经元大多数的锥体神经元——也并不与爬行动物中的任何细胞匹配。托切斯和她的合作者由此推断只有哺乳动物演化出了这些神经元。他们不是第一批提出这些细胞独立起源理论的研究者，但他们是第一批用单细胞RNA测序的出色分辨率给出证据的研究者。

托切斯和她的团队认为，哺乳动物的整个新皮层都是演化上的新产物，萌生于全新的细胞类型，而爬行动物至少部分DVR基于某种祖先结构。他们对于数十年争论给出的答案是，哺乳动物新皮层和爬行动物DVR并不同源，因为它们没有同一起源。

加州大学尔湾分校的神经科学研究者耶奥格·施特里特（Georg Striedter）研究比较神经生物学和动物行为。他赞扬道，该研究激动人心且令人惊喜。“我感觉它为我一直以来的推测提供了很好的证据。”他说。

托切斯团队给出的新答案并不意味着哺乳动物的新皮层干干净净地产生在既有的其他旧结构之上，如同“脑的三位一体”模型说的那样。当新皮层扩展、其中的新类型椎体神经元随之诞生的同时，其他脑区继续演化以同新脑区协调一致。它们并不是静静待在下面不变化的“蜥蜴脑”。甚至有可能，新皮层中涌现的复杂性推动了其他脑区的演化，或者相反。

图源： Merrill Sherman -

托切斯和她的同事在2022年九月刊的《科学》上还发表了另一篇论文[5]，揭示那些看起来原始的脑区仍在演化。她与她的博后导师劳伦合作，用单细胞RNA测序比较蜥蜴和小鼠的脑中的新旧细胞类型。首先它们比较了各个物种中的所有类型神经元，找出它们共有的细胞类型（这些神经元肯定继承自一个共同祖先）。随后他们观察了物种间不同的细胞类型。

他们的结果显示整个脑各处都有保留下来的和新生的神经细胞类型，不仅仅是那些更晚近出现的脑区。整个脑是旧类型神经元和新类型神经元的嵌合体，约翰霍普金斯大学的演化神经科学家贾斯特斯·凯布舒尔（Justus Kebschull）如是说。

三、重新思考定义

一些科学家却说现在宣布尘埃落定还为时尚早。康奈尔大学的演化神经科学家芭芭拉·芬利（Barbara Finlay）认为还需要看看神经元在发育过程中是如何产生、迁移和连接的，而不仅仅是比较成体两栖、爬行和哺乳动物中发育完成的神经元。芬利认为如果这些结果能被整合到一起就“太棒了”。“我相信我们能做到的。”她说。

托切斯说，值得注意的是，有可能两栖动物脑的复杂度，相比共同祖先复杂度有所削减（因此我们找不到哺乳动物新皮层的起源细胞）。为了确证（新皮层中的新神经元确实是哺乳动物的原创），托切斯说研究者需要用单细胞RNA测序，来观察更原始的硬骨鱼物种或其它现存的早期两栖类。实验结果能揭示哺乳动物中的神经元是否在两栖类之前还能有前身。

托切斯与同事的研究结果引发了新的讨论：这个领域是否需要重新思考大脑皮层的定义，以及什么动物有大脑皮层。当前对大脑皮层的定义是神经元必须组成可见的“层”，就像新皮层和DVR那样。但托切斯认为这是传统的神经解剖学留下的包袱。当她的团队用新的测序工具观察时，他们在蝾螈的脑内也可以看见分层的证据。

“对我来说，没有理由说蝾螈或两栖动物没有皮层，”托切斯说，“当下，如果我们把爬行动物的皮层（cortex）叫做皮层，我们也应该把蝾螈的皮质（pallium）叫做皮层。”巴比特认为托切斯说得对，他说：“用传统形态学定义的事物在我们现有的工具看来已经站不住脚了。”

这个问题关系到神经科学家如何看待鸟类。专家们都同意鸟类有惊人的认知能力[6]，可以匹敌甚至超越很多哺乳动物。因为鸟类演化自爬行类，所以他们也有DVR，但因为一些原因，他们的DVR和另一些“类皮层”脑区并没有组织出可见的层状结构。但这似乎并没有阻止这些脑区发展出足以支持复杂行为和技能的能力。然而，鸟类还是不被认为拥有皮层。

这种对外观的强烈关注也许让科学家们误入歧途。就像托切斯的团队的新单细胞数据展示的那样，“在关于同源性的讨论中，外观可能是极具欺骗性的。”施特里特说。

后记

M.W.：这项发现反映了“真相”不断被推翻的过程：眼见尚不为实、DVR和新皮层解剖学上的相似太模糊，功能相似也不再足以说明二者的同源，直到精准描绘单个细胞基因表达的技术给出了临时的答案。我还觉得最后几段对动物研究特别有意义。我们有了更能揭露本质的手段，是否也应该审视那些不光囿于技术，还与人类中心主义有关的古老包袱？

顾金涛：同意M.W.的评论，植物学也经历了从形态分类到用遗传确定起源的过程，但神经科学中因为人也是研究对象之一，更多了一层袪魅的过程。另外，三重脑理论真的好流行，甚至看到一些临床心理在用，但确实太naive。这种“看上去很有道理”的“理论”对于外行来讲倒也无关对错，但实在不值得过度联想，理论再有道理也得有经验证据作为基础才能被拿来用。

参考文献

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9186

2. https://biology.columbia.edu/

3. https://recherche.umontreal.ca/english/our-researchers/professors-directory/researcher/is/in14961/

4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aar4237

5. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8202

6. https://www.quantamagazine.org/animals-can-count-and-use-zero-how-far-does-their-number-sense-go-20210809/

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：Allison Whitten（认知神经科学家、科普作家），译者：顾金涛，审校、编辑：M.W. ，原文：https://www.quantamagazine.org/gene-expression-in-neurons-solves-a-brain-evolution-puzzle-20230214/