新研究揭秘3.2億年動物大腦進化路徑

當(dāng)人們提到高智商動物時，通常會想到猴子、猩猩等靈長類，或?qū)櫸锕?、海豚。但鴿子或麻雀等鳥類，其實也展現(xiàn)出了媲美靈長類的工具使用和社會認(rèn)知能力。

這聽起來或許有點不可思議，但最新科學(xué)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(jīng)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(fā)展之路。

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

構(gòu)建跨物種單細胞圖譜

3.2億年前，當(dāng)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(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、尋找伴侶。此后進一步演化出的鳥類更是需要適應(yīng)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(gòu)腦的結(jié)構(gòu)、神經(jīng)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(qū)域，目前被認(rèn)為是高等動物新皮層區(qū)域的功能同源區(qū)域；哺乳類用六層新皮層構(gòu)建起高級認(rèn)知的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；鳥類雖然沒有類似結(jié)構(gòu)，卻依靠更密集的神經(jīng)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(rèn)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(jié)構(gòu)下演化出相似的復(fù)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(fā)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(xué)技術(shù)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(shù)據(jù)進行整合，共構(gòu)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(xué)結(jié)合角度系統(tǒng)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(guī)律。

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

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

該研究首次在鳥類小腦中鑒定出SVIL+浦肯野細胞亞型，其基因表達譜顯著區(qū)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(xué)習(xí)記憶、晝夜節(jié)律調(diào)控相關(guān)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(yīng)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(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，這些大腦細胞類型的差異是如何產(chǎn)生的呢？研究團隊創(chuàng)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(jié)合起來分析，發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：在不同物種間表達各異的神經(jīng)元基因中，有20%到35%可以追溯到羊膜類動物祖先時期發(fā)生的基因“復(fù)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(zé)“總體規(guī)劃”的“設(shè)計師基因”（轉(zhuǎn)錄因子）在不同物種間高度保守，保持著細胞大類的功能穩(wěn)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(xiàn)出顯著的個性化特征。

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”的雙軌演化機制，驅(qū)動了不同動物大腦細胞類型的多樣化發(fā)展。