新研究揭秘3.2億年動(dòng)物大腦進(jìn)化路徑

當(dāng)人們提到高智商動(dòng)物時(shí)，通常會(huì)想到猴子、猩猩等靈長(zhǎng)類，或?qū)櫸锕贰⒑ｋ唷５澴踊蚵槿傅萨B(niǎo)類，其實(shí)也展現(xiàn)出了媲美靈長(zhǎng)類的工具使用和社會(huì)認(rèn)知能力。

這聽(tīng)起來(lái)或許有點(diǎn)不可思議，但最新科學(xué)研究顯示，鳥(niǎo)類、哺乳類甚至龜類的大腦在過(guò)去3.2億年里，經(jīng)歷了一場(chǎng)精彩的演化歷程，走出了截然不同但又殊途同歸的智慧發(fā)展之路。

5月13日，華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心等機(jī)構(gòu)，共同揭開(kāi)了跨越3.2億年的大腦神經(jīng)元演化之謎。相關(guān)研究論文發(fā)表于國(guó)際期刊《發(fā)育細(xì)胞》。

構(gòu)建跨物種單細(xì)胞圖譜

3.2億年前，當(dāng)脊椎動(dòng)物離開(kāi)水域來(lái)到陸地生活時(shí)，它們面對(duì)的是全新的挑戰(zhàn)：如何適應(yīng)陸地環(huán)境，如何在陸地上找到食物、躲避危險(xiǎn)、尋找伴侶。此后進(jìn)一步演化出的鳥(niǎo)類更是需要適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間飛行遷徙的特殊生活方式。

為了解決這些問(wèn)題，動(dòng)物們不得不重構(gòu)腦的結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元組成和功能。從此，大腦進(jìn)化進(jìn)入快車(chē)道。

爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類和哺乳類等動(dòng)物在這個(gè)過(guò)程中各自摸索出不同的生存智慧。爬行類的烏龜腦中的背腹嵴區(qū)域，目前被認(rèn)為是高等動(dòng)物新皮層區(qū)域的功能同源區(qū)域；哺乳類用六層新皮層構(gòu)建起高級(jí)認(rèn)知的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；鳥(niǎo)類雖然沒(méi)有類似結(jié)構(gòu)，卻依靠更密集的神經(jīng)元和特殊的核團(tuán)組織，擁有了媲美靈長(zhǎng)類的工具使用和社會(huì)認(rèn)知能力。

那么，基因組如何通過(guò)分子層面的影響，在迥異的解剖結(jié)構(gòu)下演化出相似的復(fù)雜功能？

羊膜類是爬行類、鳥(niǎo)類和哺乳類的總稱。在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用華大集團(tuán)自主研發(fā)的超高通量測(cè)序平臺(tái)DNBSEQ-T10、單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)DNBelab C4和時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，對(duì)中華軟殼龜、斑胸草雀及鴿子的端腦和小腦進(jìn)行測(cè)序分析，并與已公開(kāi)的小鼠、獼猴全腦圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，共構(gòu)建了羊膜類5個(gè)代表物種共130萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的跨物種單細(xì)胞圖譜。該圖譜首次通過(guò)多組學(xué)結(jié)合角度系統(tǒng)揭示了爬行類、鳥(niǎo)類與哺乳類大腦細(xì)胞類型的保守性與多樣性演化規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，鳥(niǎo)類與哺乳類在端腦興奮性神經(jīng)元中呈現(xiàn)出顯著的基因表達(dá)差異。鳥(niǎo)類的興奮性神經(jīng)元在全腦范圍普遍表達(dá)SLC17A6基因；哺乳類新皮層神經(jīng)元特異性表達(dá)其同源基因SLC17A7，其他腦區(qū)則保留SLC17A6的表達(dá)；龜類大腦大部分區(qū)域同時(shí)表達(dá)這兩個(gè)基因。以上結(jié)果暗示SLC17A7可能在鳥(niǎo)類演化過(guò)程中發(fā)生功能丟失。

而進(jìn)一步分析表明，SLC17A6/7兩個(gè)同源基因編碼的跨膜蛋白在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域存在微小突變，可能導(dǎo)致蛋白跨膜構(gòu)象差異，這一發(fā)現(xiàn)為解釋鳥(niǎo)類高密度神經(jīng)元中谷氨酸遞質(zhì)釋放的特異性提供了線索。

形成基因雙軌演化機(jī)制

鳥(niǎo)類的小腦占全腦的比例較高，細(xì)胞類型的復(fù)雜程度也相對(duì)較高，此前有推測(cè)認(rèn)為這可能與它們適應(yīng)飛行等因素相關(guān)。

該研究首次在鳥(niǎo)類小腦中鑒定出SVIL+浦肯野細(xì)胞亞型，其基因表達(dá)譜顯著區(qū)別于哺乳類的ALDOC+浦肯野細(xì)胞亞型和PLCB4+浦肯野細(xì)胞亞型。

SVIL+浦肯野細(xì)胞亞型富集與學(xué)習(xí)記憶、晝夜節(jié)律調(diào)控相關(guān)的通路基因，并表達(dá)大量正選擇的基因，提示鳥(niǎo)類小腦可能通過(guò)基因演化逐步適應(yīng)飛行。

進(jìn)一步分析顯示，SVIL+浦肯野細(xì)胞亞型具有獨(dú)特的共表達(dá)模塊，可能與鳥(niǎo)類特殊的生態(tài)行為特化密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為理解小腦功能在物種適應(yīng)性進(jìn)化中的特異性演化模式提供了關(guān)鍵證據(jù)。

那么，這些大腦細(xì)胞類型的差異是如何產(chǎn)生的呢？研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地將基因家族序列的演化史和單細(xì)胞類群的表達(dá)情況結(jié)合起來(lái)分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：在不同物種間表達(dá)各異的神經(jīng)元基因中，有20%到35%可以追溯到羊膜類動(dòng)物祖先時(shí)期發(fā)生的基因“復(fù)制粘貼”事件。

這就像是在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，動(dòng)物的“基因工具箱”不斷擴(kuò)充。雖然一些負(fù)責(zé)“總體規(guī)劃”的“設(shè)計(jì)師基因”（轉(zhuǎn)錄因子）在不同物種間高度保守，保持著細(xì)胞大類的功能穩(wěn)定，但另一些基因則在各自的進(jìn)化道路上被“精心打磨”，從而表現(xiàn)出顯著的個(gè)性化特征。

正是這種“轉(zhuǎn)錄因子保守調(diào)控框架+物種特異性基因分化”的雙軌演化機(jī)制，驅(qū)動(dòng)了不同動(dòng)物大腦細(xì)胞類型的多樣化發(fā)展。