人類的大腦和鳥類有幾分相似?

2021-01-09 澎湃新聞

原創 Harvey J. Karten 酷炫腦

圖源網絡

作者 | Harvey J. Karten

翻譯 | 茹小茹

審校 | 酷炫腦主創

朗讀 | 胡恩

美工 | 雪今晶

編輯 | 湘蓉

人類對鳥類視覺系統的研究越深入，就越能發現其與哺乳動物的相似之處。

長期以來，非哺乳動物的前腦結構一直令神經生物學家十分困擾。與哺乳動物不同，它們的端腦並非層疊的「皮層」組織，也沒有專門用於感覺和運動功能的特定腦區，其端腦的兩個主要區域——基底腦室嵴(BVR)和背側腦室嵴(DVR)卻與哺乳動物的基底神經節大致類似。

對鳥類大腦核心成分、連接方式、分子特性和生理機能，以及與哺乳動物神經迴路和功能模式的區別研究，統稱為進化連接組學。非哺乳類脊椎動物的端腦似乎由多個皮層下細胞群組成，且其中只有一個很小的區域BVR與哺乳動物的基底神經節具有同源關係。

鳥類的DVR和弓狀皮質與哺乳動物新皮質、海馬和杏仁核的某些板層非常相似，其核團間聯繫也與哺乳動物感覺柱和運動柱之間的連接如出一轍，它們都具有端腦的輸入和輸出功能，且其丘腦和端腦的聽覺、視覺和觸覺通路在細胞、迴路、網絡和基因水平上也具有古老的同源性。在發育過程中，這些同源神經元和迴路的漸進性演化導致了哺乳動物端腦結構的巨變。

1. 非哺乳類羊膜動物的前腦

目前來看，一些關鍵研究使得人類對鳥類大腦的了解越來越深入，並逐漸涉足爬行動物、硬骨魚和等類無頜脊椎動物等類群。鳥類表現出高度複雜和靈活的認知能力。它們能夠辨別精細的聽視覺並藉此進一步控制運動行為，該能力甚至可以與類人猿媲美。那麼它們是怎麼做到這一點的？其背後的神經迴路機制是什麼呢？

20世紀60年代早期，主流觀點認為，鳥類缺乏典型的大腦皮層或類似的神經迴路，其端腦的大部分區域與哺乳動物的基底神經節更為相近，因而鳥類只表現出高度固化的行為模式。當時的學術界錯誤地認為，固化行為反映了基底神經節的功能，因而鳥類的端腦不過是基底神經節的進階版本。

1969年以前鳥類（a）和哺乳動物（b）大腦關係的「經典觀點」

早在1969年以前，鳥類和哺乳動物的同源比較就已經開始了。傳統觀念認為，鳥類的端腦的一個極小區域與哺乳動物的海馬體具有同源性，該區頭端的微小裂隙則形成了我們熟知的背側隆起（替代皮質）。雖然缺乏明確的理論基礎，但絕大多數鳥類和爬行動物的端腦與哺乳動物的基底神經節的確具有可比性。

2. 鳥類基底神經節的邊界

我們進一步探索了鳥類神經核團的相似性和邊緣區，其特徵在很大程度上與哺乳動物的基底神經節相仿。卡滕，賴納和昆澤爾等人運用各種組織化學方法證實了，鳥類端腦中只有佔總體積20%-25%基底腦室嵴(BVR)與哺乳動物的基底神經節同源。

而無論是位於BVR背側、突入腦室的DVR，還是大腦半球外表面的薄層蒼白球區，雖然其容積比例很大，但與哺乳類基底神經節幾乎沒有可比性。實際上，鳥類BVR與DVR的體積比和哺乳類基底神經節與端腦剩餘區域（包括大腦皮層和杏仁核）的體積比大致相等。

其他研究表明，鳥類大腦中存在許多長程的下行神經連接，且與哺乳動物基底神經節迴路大致相同。昆澤爾等人在一篇綜述中詳細描述了針對基底神經節的後續研究，進一步強調了只有BVR的結構功能與哺乳動物基底神經節近似這一結論。

3. 核團—板層對應假說

端腦背側至基底神經節的主要區域稱為DVR。在之後40年間的一系列研究中，我們在DVR下方的丘腦中發現了視覺、聽覺和觸覺通路，它們與哺乳動物大腦皮層的傳入和傳出模式十分相似。我們發現了大量高密度的區域特異性細胞核團，它們具有丘腦的感覺傳入神經、中間神經元、以及與區域局部皮層相似的，界限分明的長程下行傳出神經。這使我產生了一個想法，儘管不似哺乳動物新皮質的明顯分層現象，但鳥類大腦中的特異性核團與哺乳動物新皮質的板層具有同源性，即「核團—板層對應假說」。我們對鳥類發達的聽覺通路進行了詳細的細胞學分析，並發現其反射弧結構和生理特性與哺乳動物紋狀體的視覺通路幾乎完全相同。除此以外，仍然有其他通路對應於從哺乳動物視覺頂蓋上行至丘腦尾側枕葉，再上行至端腦內皮質的神經迴路。

我們還發現了從鳥類端腦下行的其他傳出通路，它們與哺乳動物觸覺、聽覺、視覺的運動皮質投射完全吻合。其他區域的投射位置則與哺乳動物下丘腦的杏仁核十分相似。

令人欣喜的是，我們發現哺乳動物端腦的主要結構，如大腦皮層、杏仁核、海馬和紋狀體，在鳥類神經系統中都存在功能對應的細胞核團。

鳥類DVR細胞核內的神經元與哺乳動物皮層各層的神經元同源

在1970年，我們對鳥類大腦的本質問題提出了更簡潔的表述，也稱為「細胞水平同源性問題」。從那時起，我們開始了一系列廣泛的免疫組化研究，並在很大程度上證實了，各種遞質、受體和神經肽在神經元亞群中的分布方式與哺乳動物大腦皮層中相應的細胞類群幾乎完全相同。然而，由於某些原因，人們似乎更傾向於一種簡單化的區域性模型，許多人依舊認為鳥類和哺乳類的大腦具有「核團—板層」對應關係。

這些發現進一步闡明，哺乳動物大腦皮層的起源過程分為兩步:

(i) 廣義脊椎動物的細胞和神經迴路進化起源

(ii) 以上神經系統的宏觀結構發生了某種改變，從而產生了我們更為熟知的，哺乳動物中普遍存在的板層皮質模型。

由此我猜想，早在脊椎動物進化的早期，哺乳動物的新皮質就已產生了許多全新的神經元和迴路，並且獨立存在於板層結構之外。在埃裡希·賈維斯的指導下，一群比較神經生物學家參考了鳥類DVR和替代皮質等結構與哺乳動物大腦皮層相關通路的相似性，並提出了鳥類大腦一種全新的命名法。在過去30年間，科學家們對DVR多個區域的學術名稱進行了修正。

4. 鳥類端腦的放射性柱狀微電路結構

隨著神經科學研究的日益發展，對與大腦計算機制相關的基本微電路系統開始廣受關注。2010年，王等人發現哺乳動物和鳥類大腦的細胞和微電路的相似程度簡直令人錯愕。利用薄片製備和單細胞填充技術，我們觀察到了端腦聽覺區域的微電路結構。其中的同源性神經元核團存在徑向排列、鎖連環和環狀迴路等結構，且與哺乳動物聽覺皮質的特定層次相互匹配。實際上，這些特性與現今哺乳動物大腦皮層的典型迴路完全相同。鳥類端腦特定區域區的各層細胞之間具有神經網絡連接而成的放射性柱狀結構，由此我們得出結論: 即使哺乳動物的皮層看起來如此與眾不同，但其放射性組織以及鎖連環和環狀迴路，可能在哺乳動物起源之前很久就已經出現了。

阿胡馬達·加列吉洛斯等人最近的一篇論文進一步支持了這一觀點，作者在文中詳細描述了鳥類DVR區域中的放射性柱狀結構模式，即內蓋核以及原皮質的帶狀和覆蓋區。該研究與王等人的發現非常相似，進一步支持了鳥類和哺乳類大腦放射狀微電路的古老性和神經元迴路的同源關係假說。馬勒團隊的新近研究證明，硬骨魚的端腦中也存在類似的輻射狀微電路組織，且具有電信號接收的功能。

目前的主流觀念認為，哺乳動物丘腦和端腦的微電路形成與大腦皮層的板層結構形成過程是相互獨立的，且時間也比它早得多。我們認為該放射性循環微電路不僅是哺乳動物大腦皮層的特徵，也是所有羊膜動物的共同點，更是兩億年以上古生物時代的象徵。以上提到過，鄭等人對硬骨魚的實驗研究表明，其端腦的放射狀微電路可能具有更為古老的歷史。

鳥類聽覺皮層（a）和哺乳動物聽覺皮層（b）的可比較的層狀和柱狀組織

1969年最初發表的假說與自然選擇的概念高度吻合，也具有一定的合理性：這些微小、古老的生物性狀對物種繁衍大有裨益，才在整個系統發育過程中被保留了下來。

5. 腦解剖結構的最新進展

2010年的研究主要與神經連接、電生理學、免疫組織化學和行為學數據有關。在2012年，杜加斯福特等人進一步證實了，鳥類端腦中各種不同的細胞核團與相應的哺乳動物新皮質層次具有相似的遺傳分子特徵。儘管沒有嚴格證明細胞水平的同源性，他們的論文依舊是「核團—板層對應假說」的有效論據。所謂的「屏狀核-杏仁核假說」認為，DVR的大部分區域與屏狀核同源。雖然蔡爾和卡滕早已證實，DVR中的一個特殊區域與杏仁核具有同源性，但它僅構成了弓狀皮質相對有限的一部分，且並未進一步探索DVR和哺乳動物新皮質在結構成分上的廣泛相似性。

最近，卡拉夫雷塞和伍萊進一步論證了，鳥類聽覺區的各層細胞與哺乳動物大腦皮層在電生理特性和信息處理方式上存在驚人的相似性，哈裡斯在評論文章中對該觀點展現了大力支持。然而，論文中關於爬行動物和鳥類DVR到哺乳動物新皮質板層結構的轉變機制尚未經過實驗驗證。

1969年，我在論文中假定，這種變化背後的機制是從神經節隆起區到背外側皮質原基的切向細胞遷移。麥特·雷布蘭克等人發現了大鼠胚胎新皮質形成過程中的細胞切向遷移現象，並首次通過實驗證實了這一點。

安德森的研究表明，在胚胎發育過程中，哺乳動物大腦皮層的γ-氨基丁酸能神經元起源於內側神經節隆起，並沿切線向新皮質發生了遷移。由於他們的分析並不涉及 DVR穀氨酸能神經元的遷移模式，因而支持「DVR神經元切向遷移假說」的證據仍然有所不足。

非哺乳類（a）和哺乳類（b）在構成皮層的神經元的個體發育起源方面的假定差異示意圖

該假說指出，顳葉(聽覺和視覺頂蓋區)的穀氨酸能反應神經元也從DVR的背外側遷移到了大腦皮層，而類似的現象並未在哺乳動物中得到充分證實。而賈維斯等人最近的研究結果與巢皮質和原皮質參與穀氨酸能神經元切向遷移的觀點不謀而合。

究竟是何種細胞分子機制介導了神經元遷移模式的改變，繼而使得原始大腦進化為了哺乳動物的皮層結構呢？目前佔主導地位的皮層發育假說認為，大腦皮層室管膜分裂細胞發生了徑向遷移，從而形成了「由內至外」的大腦板層結構，而且所有板層都是由同一個母細胞增殖形成的。最近弗朗科等人研究發現，在小鼠新皮質的進化過程中，第2—4層與5—6層的細胞似乎來源於不同的神經膠質原基。第2—4層細胞(或許還包括5a層)是新皮質放射性柱狀結構的基本原始成分，也是初步信息處理的解剖基礎，而第5b—6層細胞主要負責信息傳出，分別發出下行至腦幹和丘腦的投射。

正如澤爾和卡滕所述，鳥類的弓狀皮質與哺乳動物大腦的5—6層細胞相對應，類似於一個孤立的細胞核團。這些細胞通過中等長度的軸突與第2—4層神經元群產生顯性聯繫，而其複雜的樹突連接卻與此關係甚微。該結論可能意味著軸突傳導時間的延長耽擱了整個神經迴路的運行，但這是否會導致鳥類的視聽覺表現落後於哺乳動物呢？對此人類尚無明確證據。

6．進化發育異常問題

比較神經生物學領域的一貫目標是在與時俱進的框架中揭示生物體的普遍模式，並聚焦進化過程中的新現結構。如果我關於細胞和神經迴路的同源性假說是正確的，那麼另一問題由此產生了：在發育過程中，分子和基因究竟發生了哪些變化，才導致了截然不同的結果呢？其中最大的挑戰是如何在新皮層的傳統板層結構與全然相異的DVR模型之間找到平衡。哺乳動物大腦皮層被認為是由大腦皮層室管膜上的細胞向外遷移而形成的。而DVR 模型則認為，其他同源細胞和神經環路來自一個不同的分裂細胞群。這清楚地表明，過去的哺乳動物皮質發育學說是需要修正的。

7. 脊椎動物端腦的統一模型

在過去的三年中，我們的研究取得了一些重大的進步，並提出了一個適用於包括無頜類和哺乳類等所有脊椎動物的端腦模型。

這些研究發現，所有脊椎動物的基底神經節都存在一系列細節性的相似之處。格裡爾納和甘茲等人已經證實，七鰓鰻和硬骨魚神經連接、遞質和受體的許多分子特徵，實際上與哺乳動物和禽類別無二致。

鳥類（a、b）、硬骨魚（c）和齧齒動物（d）大腦的矢狀面旁切面示意圖，顯示側腦室（藍色）相對於哺乳動物皮層（綠色）和丘腦下區（品紅）同源神經群的相對位置

芬格、伊藤、山本和馬勒等人進行的硬骨魚實驗揭示了丘系感覺通路的明確界限：其神經纖維先上行至丘腦，換元後再到達端腦。這些神經元將來自外周的聽覺信息傳遞到硬骨魚大腦背側的各個區域，這與哺乳動物和鳥類的相關通路極其相似。目前山本和馬勒等人已經成功證明，硬骨魚端腦的背側中央區在腦幹具有特定的投射區域，其具體模式也與哺乳動物和鳥類相近。最近，奧坎團隊研究發現，七鰓鰻的端腦背側也存在類似的投射模式，其終止方式與起自哺乳動物新皮層的通路如出一轍。

為了對各種脊椎動物看似相異的特徵加以歸納，芬格等人提出了一個統一的端腦組織模型。儘管對人類關於脊椎動物大腦進化的觀念產生了深遠的影響，但該模型仍需要大量研究數據下的進一步完善和證實。該模型認為，各種脊椎動物的神經元亞群僅僅發生了數量變化，而細胞結構和神經迴路方面的新特點卻少得驚人。說實話，這仍然屬於較為保守的觀點。當面對相對陌生的細胞類型和結構體系時，人們往往會迫切地宣稱發現了「新大陸」。但實際上，只有更為深入的系統發育評估完成之後，我們才能完全確認這些解釋的有效性。

正如達爾文一針見血的箴言：「自然無躍進」。在生物進化學中採取謹慎的姿態可能是更明智的選擇。

8. 未來何處

我們從何而來，又將走向何方？我最初的目標只是搞清楚鳥類大腦比較神經生物學的歷史，多虧了每周一次的實驗室討論，我逐漸開始探索鳥類與哺乳類的神經系統同源性。在沃爾特·裡德陸軍研究院的時候，我向包括瓦萊·瑙塔、威廉·梅勒和恩裡克·拉蒙·莫利納在內的，一群熱情的實驗神經解剖學家介紹了我的發現。

當認識到從鳥類脊髓到腦幹的上行通路與哺乳動物大腦投射在連接方式、組織結構和行為模式上的相似特性時，我們的研究對象很快從脊髓擴大到了小腦、下丘和視頂蓋，聽覺和視覺通路的探索引導我們進一步開啟了對丘腦的分析，並由此通過鼻腔進入了端腦。探索的過程並非一帆風順，我們的目標從試圖描述鳥類端腦的細胞核團，變成嘗試將它們與哺乳動物界限模糊的細胞群體進行比較。經過一番掙扎之後，我們的中心議題變成了鳥類端腦細胞核團和哺乳類大腦皮層間的同源性。除此以外，1970年我們對細胞同源性的重新定位也是非常重要的步驟。

我曾經成功地探明了鳥類的聽覺系統，目前正專注於其視覺通路分析。簡而言之，人類對鳥類視覺系統的研究越深入，就越能發現其與哺乳動物的相似之處。正如拉蒙卡哈所述，這不僅適用於視網膜的組織結構，對於多種複雜視覺通路的其他成分也是一樣的道理，包括視網膜的投射模式，以及其中的二級、三級和四級連接。

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