烏龜與蜥蜴的大腦揭示人類大腦進化奧秘

2020-12-05 中國數字科技館

來源：Dr. Arjan Vink, Max Planck Institute

烏龜的三層大腦皮質（左）與烏龜背側大腦皮質中不同種類神經元（右）的圖像。這些神經元被螢光原位雜交所標記，所標記的兩種基因在兩種不同的神經元類型中被表達。 MPI f. Brain Research

我們的大腦充斥著神經元的連接和迴路。它由海馬體一類的「古老」腦區和「新生」腦區共同組成，「新生」腦區包含了一個具有六層結構的「新皮質」，新皮質僅出現在哺乳動物，尤其是人類之中。但是，大腦皮質的組成區域是何時又是如何進化出來的？在法蘭克福的馬克斯普朗克大腦研究所(Max Planck Institute for Brain Research)的科學家們研究了烏龜和蜥蜴的大腦皮質的基因表達，發現它們和哺乳動物的大腦皮質之間有意想不到的相似點和差異。這些結果是重建脊椎動物大腦進化過程的裡程碑。

從很多方面來說，我們就是我們的大腦皮質。它的迴路塑造了我們對世界的感知，保存了我們的記憶，規劃了我們的行為。具有典型的分層結構的大腦皮質僅在包括人類在內的哺乳動物和非鳥類的爬行動物中出現，比如蜥蜴和烏龜。哺乳動物，爬行動物和鳥類都起源於大約生存在3.2億年前的同一個祖先。神經科學家認為，這個祖先有一個三層的小皮質，因為今天在哺乳動物的海馬體和現代爬行動物的所有皮質中都發現了類似的結構：這些三層的皮質很有可能和它們共同祖先的皮質相對應。

通過比較當今爬行動物的皮質和當今哺乳動物的新舊皮質（如新皮質和海馬體），我們可以尋找相似與差異，相似代表著祖先潛在的特徵，差異則由它們獨立進化而產生，由此我們就能重建皮質進化的主要特徵。迄今為止的對比都只基於發育和解剖學特徵。這項基於個別爬行動物神經元分子特徵的新研究提供了前所未有的數據，這有助於重建皮質的進化過程。

幾十年來，爬行動物和哺乳動物大腦之間的解剖學差異引發了許多有關皮質進化的爭議。包括爬行動物的這一部分大腦到底是否與哺乳動物的那一部分相對應，或者哺乳動物新皮質的層狀結構是否也存在於爬行動物中，只是用傳統方法無法檢測到。吉爾斯·勞倫特(Gilles Laurent)和他在馬普大腦研究所的研究小組採用了一種不同的方法，集中研究了構成皮質迴路的種種神經元的分子特徵。

轉錄組測序

神經元可以通過形態、神經遞質、連接和功能的不同來區分它們的類型。這些特徵由不同基因組的表達而產生；因此，通過測量神經元包含的信使RNA分子（它們的「轉錄組」），單個神經元就可以被分類。研究的第一作者瑪麗亞·安東尼埃塔·託斯(Maria Antonietta Tosches)和她的同事們使用專門的微流體平臺，在微型水滴中逐一捕獲了烏龜和蜥蜴細胞內的轉錄組，並對它們進行測序。

利用這些基因表達，科學家可以對數千個神經元進行分類。對於每種神經元，他們可以識別診斷標記基因，並利用這些基因來估測這種細胞類型在大腦中的位置，就像一幅原本均勻一致的皮質圖像，後來突然變成不同區域色彩斑斕的拼貼畫，每個區域包含了一種或多種細胞類型。

作者現在可以直接比較爬行動物的分子圖和哺乳動物的大腦，尋找一對一的對應關係，甚至假想它們在3.2億年前（現已滅絕）的共同祖先的大腦模樣。

被迫摺疊

「我們的研究結果很好地理清了我們對爬行動物大腦以及大腦進化的理解。」託斯說道。打個比方，這些新的分子圖顯示，爬行動物具有和哺乳動物海馬體中的神經元類型相對應的神經元種類。海馬體是一個負責空間定向和記憶形成的結構。在爬行動物中，海馬體接近大腦中心，但與將其摺疊起來的哺乳動物不同，爬行動物的海馬體看起來像一張單一的紙片。「這就像在早期的哺乳動物中，原始海馬體被逐漸增長的新皮質所推擠，自身不得不摺疊，從而成為它在哺乳動物中的標誌性構造。」

相反，爬行動物的非海馬體皮質揭示了哺乳動物新皮質的複雜歷史。打個比方，抑制性神經元在爬行動物和哺乳動物中表達了相似的基因組，這表明它們有一個共同的祖先。然而，興奮性神經元卻在這兩組之間有很大差別。「哺乳動物的六層新皮質是一個由古老的和新生的神經元種類嵌合而成的迷人結構。」託斯說道。現在，科學家們能確認哺乳動物新皮質的真正新奇之處，即在基因表達發生巨大變化之後，會有新的興奮性神經元種類誕生。

這項研究提出了許多新問題。古老的神經元類型在爬行動物和哺乳動物的皮質迴路中是否具有相同的功能？這些分子上的相似性和差異性能否讓我們進一步理解大腦功能和動物行為上的進化？「這些新的分子圖中還有很多需要探索。」勞倫特說，「這只是一個開始。」

原始論文：Maria Antonietta Tosches, et al., 「Evolution of pallium, hippocampus and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles,」 Science, 03 May 2018: eaar4237; DOI: 10.1126/science.aar4237

翻譯：童寧聰

審校：王澤宇

原文連結：https://scitechdaily.com/turtle-and-lizard-brains-shed-light-on-human-brain-evolution/

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