新研究揭秘3.2億年動物大腦進化路徑

當人們提到高智商動物時，通常會想到猴子、猩猩等靈長類，或寵物狗、海豚。但鴿子或麻雀等鳥類，其實也展現出了媲美靈長類的工具使用和社會認知能力。

這聽起來或許有點不可思議，但最新科學研究顯示，鳥類、哺乳類甚至龜類的大腦在過去3.2億年里，經歷了一場精彩的演化歷程，走出了截然不同但又殊途同歸的智慧發展之路。

5月13日，華大生命科學研究院聯合中國科學院深圳先進技術研究院、鄭州大學生命科學學院、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心等機構，共同揭開了跨越3.2億年的大腦神經元演化之謎。相關研究論文發表于國際期刊《發育細胞》。

構建跨物種單細胞圖譜

3.2億年前，當脊椎動物離開水域來到陸地生活時，它們面對的是全新的挑戰：如何適應陸地環境，如何在陸地上找到食物、躲避危險、尋找伴侶。此后進一步演化出的鳥類更是需要適應長時間飛行遷徙的特殊生活方式。

為了解決這些問題，動物們不得不重構腦的結構、神經元組成和功能。從此，大腦進化進入快車道。

爬行動物、鳥類和哺乳類等動物在這個過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域，目前被認為是高等動物新皮層區域的功能同源區域；哺乳類用六層新皮層構建起高級認知的結構基礎；鳥類雖然沒有類似結構，卻依靠更密集的神經元和特殊的核團組織，擁有了媲美靈長類的工具使用和社會認知能力。

那么，基因組如何通過分子層面的影響，在迥異的解剖結構下演化出相似的復雜功能？

羊膜類是爬行類、鳥類和哺乳類的總稱。在該研究中，研究團隊利用華大集團自主研發的超高通量測序平臺DNBSEQ-T10、單細胞測序平臺DNBelab C4和時空組學技術Stereo-seq，對中華軟殼龜、斑胸草雀及鴿子的端腦和小腦進行測序分析，并與已公開的小鼠、獼猴全腦圖譜數據進行整合，共構建了羊膜類5個代表物種共130萬個細胞的跨物種單細胞圖譜。該圖譜首次通過多組學結合角度系統揭示了爬行類、鳥類與哺乳類大腦細胞類型的保守性與多樣性演化規律。

研究發現，鳥類與哺乳類在端腦興奮性神經元中呈現出顯著的基因表達差異。鳥類的興奮性神經元在全腦范圍普遍表達SLC17A6基因；哺乳類新皮層神經元特異性表達其同源基因SLC17A7，其他腦區則保留SLC17A6的表達；龜類大腦大部分區域同時表達這兩個基因。以上結果暗示SLC17A7可能在鳥類演化過程中發生功能丟失。

而進一步分析表明，SLC17A6/7兩個同源基因編碼的跨膜蛋白在關鍵結構域存在微小突變，可能導致蛋白跨膜構象差異，這一發現為解釋鳥類高密度神經元中谷氨酸遞質釋放的特異性提供了線索。

形成基因雙軌演化機制

鳥類的小腦占全腦的比例較高，細胞類型的復雜程度也相對較高，此前有推測認為這可能與它們適應飛行等因素相關。

該研究首次在鳥類小腦中鑒定出SVIL+浦肯野細胞亞型，其基因表達譜顯著區別于哺乳類的ALDOC+浦肯野細胞亞型和PLCB4+浦肯野細胞亞型。

SVIL+浦肯野細胞亞型富集與學習記憶、晝夜節律調控相關的通路基因，并表達大量正選擇的基因，提示鳥類小腦可能通過基因演化逐步適應飛行。

進一步分析顯示，SVIL+浦肯野細胞亞型具有獨特的共表達模塊，可能與鳥類特殊的生態行為特化密切相關。這些發現為理解小腦功能在物種適應性進化中的特異性演化模式提供了關鍵證據。

那么，這些大腦細胞類型的差異是如何產生的呢？研究團隊創新地將基因家族序列的演化史和單細胞類群的表達情況結合起來分析，發現了一個現象：在不同物種間表達各異的神經元基因中，有20%到35%可以追溯到羊膜類動物祖先時期發生的基因“復制粘貼”事件。

這就像是在漫長的進化過程中，動物的“基因工具箱”不斷擴充。雖然一些負責“總體規劃”的“設計師基因”（轉錄因子）在不同物種間高度保守，保持著細胞大類的功能穩定，但另一些基因則在各自的進化道路上被“精心打磨”，從而表現出顯著的個性化特征。

正是這種“轉錄因子保守調控框架+物種特異性基因分化”的雙軌演化機制，驅動了不同動物大腦細胞類型的多樣化發展。