乌龟和蜥蜴脑的分子图谱揭示了人类大脑的进化

我们的大脑皮层，一片神经元，连接和回路，包括“古老”区域，如海马和“新”区域，如六层“新皮层”，仅在哺乳动物中发现，最突出的是人类。但是在进化过程中，大脑皮层的成分是否会出现，它们是如何进化的?美因河畔法兰克福马克斯普朗克脑研究所的科学家们研究了海龟和蜥蜴皮层神经元中的基因表达，并发现了与哺乳动物皮层意想不到的相似和不同之处。这些结果是重建脊椎动物大脑进化的里程碑。

在很多方面，我们是大脑皮层。它的电路有助于塑造我们对世界的感知，存储我们的记忆并规划我们的行为。一个大脑皮质，其典型的层状组织，只有在哺乳动物，包括人类和非禽类爬行动物如蜥蜴和乌龟发现。哺乳动物，爬行动物和鸟类起源于大约3.2亿年前的共同祖先。神经科学家认为，这个祖先有一个三层的小皮层，因为今天在哺乳动物的海马和现代爬行动物的所有皮质中都发现了类似的结构：这些三层皮质可能与它们共同的祖先皮层相对应。

通过比较当今爬行动物的皮质与当今哺乳动物的新旧皮质(如海马体和新皮层)，我们可以寻找相似性，潜在的祖先性状和差异 - 由它们的独立进化产生 - 从而重建主要皮层进化的特征。到目前为止，比较基于发育和解剖学特征。这项基于单个爬行动物神经元分子特征的新研究提供了前所未有的数据，有助于重建皮层进化。

几十年来，爬行动物和哺乳动物大脑之间的解剖学差异引发了许多关于皮层进化的争议。人们争论爬行动物大脑的这一部分是否与哺乳动物大脑的那部分相对应，或者哺乳动物新皮层中发现的许多层是否也存在于爬行动物中，但其形式是传统方法无法检测到的。Gilles Laurent和他在Max Planck脑研究所的研究小组采用了不同的方法，专注于构成皮质回路的无数神经元类型的分子表征。

转录组测序

神经元“类型”尤其因其形态，神经递质，连接和功能特性而不同。这些特征都源于不同基因组的表达;因此，可以通过测量它们含有的信使RNA分子(它们的“转录组”)对各个神经元进行分类(或分型)。本研究的第一作者Maria Antonietta Tosches及其同事使用专门的微流体平台，在微观水滴中逐一捕获龟和蜥蜴细胞的转录组。

利用这些基因表达谱，科学家们可以对数千个神经元进行分类。从每种类型，他们可以识别诊断标记基因，并使用它们来评估大脑中细胞类型的位置。想象一下皮质的图片，直到那时均匀，突然变成彩色区域的拼贴画，每个区域包含一个或几个特征细胞类型。

作者现在可以直接比较爬行动物的分子图谱与哺乳动物大脑的分子图谱，找到一对一的对应关系，甚至可以得出关于其3.2亿年前(现已灭绝)共同祖先大脑的假设。

被迫折叠

“我们的研究结果极大地阐明了我们对爬行动物大脑的理解，从而也解释了大脑进化的理解，”托切斯说。例如，这些新的分子图显示，爬行动物具有与哺乳动物海马体中发现的神经元类型相对应的神经元类型，涉及空间定向和记忆形成的结构。在爬行动物中，海马被发现朝向大脑的中心，但与其折叠的哺乳动物对应物不同，它看起来像一张纸。“就像在早期的哺乳动物中，祖先的海马体被一个日益占主导地位的新皮层推动并被迫折叠自身，以获得其标志性的哺乳动物结构，”洛朗补充说。

相比之下，非海马爬行动物皮层揭示了哺乳动物新皮质的复杂历史。例如，抑制性神经元在爬行动物和哺乳动物中表达相似的基因组，表明共同的祖先。然而，兴奋性神经元在这两组中存在显着差异。“哺乳动物的六层新皮层是一种迷人的古代和新型神经元类型的镶嵌图，”Tosches说。科学家们现在可以指出哺乳动物新皮质的真正新颖性，即在基因表达程序发生深刻变化后出现新型兴奋性神经元。

这项研究开辟了许多新问题。古代神经元类型在爬行动物和哺乳动物皮层回路中具有相同的功能吗?这些分子的相似性和差异可以告诉我们大脑功能和动物行为的演变吗?“从这些新的分子图中探索还有很多东西，”洛朗说：“这只是一个开始。”